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JP7634925B2 - Imaging device and electronic device - Google Patents

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JP7634925B2
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Description

本発明の一態様は、撮像装置に関する。One aspect of the present invention relates to an imaging device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition of matter. Therefore, examples of the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically include a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. Further, a memory device, a display device, an imaging device, and an electronic device may include a semiconductor device.

基板上に形成された酸化物半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体を有するオフ電流が極めて低いトランジスタを画素回路に用いる構成の撮像装置が特許文献1に開示されている。A technique for forming a transistor using an oxide semiconductor thin film formed over a substrate has attracted attention. For example, Patent Literature 1 discloses an imaging device in which a transistor that includes an oxide semiconductor and has an extremely low off-state current is used for a pixel circuit.

特開2011-119711号公報JP 2011-119711 A

CMOSイメージセンサなどの撮像装置では、技術発展により高画質な画像が容易に撮影できるようになっている。次世代においては、撮像装置をさらに高機能化することが求められている。2. Description of the Related Art With imaging devices such as CMOS image sensors, technological advances have made it possible to easily capture high-quality images. In the next generation, imaging devices are required to have even higher functionality.

一方で、撮像装置は様々な機器に組み込まれることから、小型化の要求もある。そのため、機能を付加する場合においてもセンサチップは小型化することが望まれる。したがって、撮像装置に機能を付加するための要素は、積層して配置することが好ましい。On the other hand, since imaging devices are incorporated into various devices, there is also a demand for miniaturization. Therefore, even when functions are added, it is desirable to miniaturize the sensor chip. Therefore, it is preferable to arrange elements for adding functions to the imaging device in a stacked manner.

しかしながら、シリコン半導体を用いたデバイス(以下、Siデバイス)などを複数積層する場合は、研磨工程および貼り合わせ工程などを複数回行う必要がある。そのため、歩留まりの向上が課題となっている。However, when stacking multiple devices using silicon semiconductors (hereinafter, Si devices), it is necessary to perform polishing and bonding processes multiple times, which makes it difficult to improve the yield.

したがって、本発明の一態様では、高機能の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、または、小型の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、高速動作が可能な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。または、上記撮像装置の駆動方法を提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to provide a high-performance imaging device. Another object is to provide a small imaging device. Another object is to provide an imaging device or the like that can operate at high speed. Another object is to provide an imaging device with high reliability. Another object is to provide a novel imaging device or the like. Another object is to provide a method for driving the imaging device. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like.

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。Note that the description of these problems does not preclude the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily solve all of these problems. Note that problems other than these will become apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract problems other than these from the description of the specification, drawings, claims, etc.

本発明の一態様は、積層構造を有する撮像装置に関する。One embodiment of the present invention relates to an imaging device having a layered structure.

本発明の一態様は、第1の回路と、第2の回路と、第3の回路と、光電変換デバイスと、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、第3の絶縁層と、第4の絶縁層と、第1の導電層と、第2の導電層と、を有し、第1の回路は、第1の絶縁層および第2の回路を介して第2の絶縁層と重なる領域を有し、第1の絶縁層は、第1の回路と、第2の回路との間に設けられ、第1の導電層は、第2の絶縁層に埋設された領域を有し、光電変換デバイスは、第3の絶縁層および第3の回路を介して第4の絶縁層と重なる領域を有し、第3の絶縁層は、光電変換デバイスと、第3の回路との間に設けられ、第2の導電層は、第4の絶縁層に埋設された領域を有し、第1の導電層は、第1の回路と電気的に接続され、第1の回路は、第2の回路と電気的に接続され、第2の導電層は、第3の回路と電気的に接続され、第3の回路は、光電変換デバイスと電気的に接続され、第1の導電層と、第2の導電層とは直接接合し、第2の絶縁層と、第4の絶縁層とは直接接合している撮像装置である。One embodiment of the present invention includes a first circuit, a second circuit, a third circuit, a photoelectric conversion device, a first insulating layer, a second insulating layer, a third insulating layer, a fourth insulating layer, a first conductive layer, and a second conductive layer. The first circuit has a region overlapping with the second insulating layer through the first insulating layer and the second circuit. The first insulating layer is provided between the first circuit and the second circuit. The first conductive layer has a region embedded in the second insulating layer. The photoelectric conversion device overlaps with the fourth insulating layer through the third insulating layer and the third circuit. the third insulating layer is provided between a photoelectric conversion device and a third circuit, the second conductive layer has a region embedded in the fourth insulating layer, the first conductive layer is electrically connected to the first circuit, the first circuit is electrically connected to the second circuit, the second conductive layer is electrically connected to the third circuit, the third circuit is electrically connected to the photoelectric conversion device, the first conductive layer and the second conductive layer are directly bonded, and the second insulating layer and the fourth insulating layer are directly bonded.

第1の回路は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタを有し、第2の回路および第3の回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有し、光電変換デバイスは、光電変換層にシリコンを有するフォトダイオードであることが好ましい。金属酸化物は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHfの一つまたは複数)と、を有することが好ましい。It is preferable that the first circuit has a transistor having silicon in a channel formation region, the second circuit and the third circuit have transistors having metal oxide in a channel formation region, and the photoelectric conversion device is a photodiode having silicon in a photoelectric conversion layer. The metal oxide preferably has In, Zn, and M (M is one or more of Al, Ti, Ga, Ge, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd, and Hf).

第1の導電層および第2の導電層は、同一の金属材料で構成され、第2の絶縁層および第4の絶縁層は、同一の絶縁材料で構成されていることが好ましい。It is preferable that the first conductive layer and the second conductive layer are made of the same metal material, and the second insulating layer and the fourth insulating layer are made of the same insulating material.

第3の回路および光電変換デバイスは、画素回路の機能を有し、第1の回路は、画素回路の読み出し回路の機能を有することができる。The third circuit and the photoelectric conversion device have a function of a pixel circuit, and the first circuit can have a function of a readout circuit for the pixel circuit.

さらに、遮光層を有していてもよい。遮光層は、光電変換デバイスと第3の回路との間に設けることができる。The light-shielding layer may be provided between the photoelectric conversion device and the third circuit.

さらに、第4の回路と、第5の回路と、を有し、第4の回路および第5の回路は、第1の回路と同一の基板に設けられ、第4の回路は、第2の回路と電気的に接続され、第5の回路は、第2の回路と電気的に接続することができる。Further, the semiconductor device may have a fourth circuit and a fifth circuit, the fourth circuit and the fifth circuit being provided on the same substrate as the first circuit, the fourth circuit being electrically connected to the second circuit, and the fifth circuit being electrically connected to the second circuit.

第4の回路および第5の回路は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタを有することが好ましい。The fourth circuit and the fifth circuit preferably have a transistor having silicon in a channel formation region.

第2の回路は、メモリ回路の機能を有し、第4の回路は、メモリ回路を駆動するカラムドライバの機能を有し、第5の回路は、メモリ回路を駆動するロードライバの機能を有することができる。The second circuit can have a function of a memory circuit, the fourth circuit can have a function of a column driver that drives the memory circuit, and the fifth circuit can have a function of a row driver that drives the memory circuit.

第3の回路は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、キャパシタと、を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、光電変換デバイスの一方の電極と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方および第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第4のトランジスタのゲートおよびキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続することができる。The third circuit has a first transistor, a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, and a capacitor, and one of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one of the electrodes of the photoelectric conversion device, the other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one of the source or drain of the second transistor and one of the source or drain of the third transistor, the other of the source or drain of the third transistor is electrically connected to the gate of the fourth transistor and one of the electrodes of the capacitor, and one of the source or drain of the fourth transistor can be electrically connected to one of the source or drain of the fifth transistor.

第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第4のトランジスタおよび第5のトランジスタは、シリコンをチャネル形成領域に有するトランジスタであり、第3のトランジスタは、金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタとすることができる。金属酸化物は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHfの一つまたは複数)と、を有することが好ましい。The first transistor, the second transistor, the fourth transistor, and the fifth transistor may each be a transistor having silicon in a channel formation region, and the third transistor may be a transistor having a metal oxide in a channel formation region. The metal oxide preferably contains In, Zn, and M (M is one or more of Al, Ti, Ga, Ge, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd, and Hf).

本発明の一態様を用いることで、高機能の撮像装置を提供することができる。少ない工程で作製することができる撮像装置を提供することができる。または、高歩留まりで作製することができる撮像装置を提供することができる。または、小型の撮像装置を提供することができる。または、高速動作が可能な撮像装置などを提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。または、上記撮像装置の駆動方法を提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。By using one embodiment of the present invention, a highly functional imaging device can be provided. An imaging device that can be manufactured with fewer steps can be provided. An imaging device that can be manufactured with a high yield can be provided. A small-sized imaging device can be provided. An imaging device capable of high-speed operation can be provided. An imaging device with high reliability can be provided. A novel imaging device or the like can be provided. A method for driving the imaging device can be provided. A novel semiconductor device or the like can be provided.

図1は、撮像装置を説明する断面斜視図である。
図2A乃至図2Cは、積層体の作製方法を説明する図である。
図3A、図3Bは、撮像装置を説明するブロック図である。
図4A乃至図4Cは、画素回路を説明する回路図である。
図5A、図5Bは、画素回路を説明する回路図である。
図6A、図6Bは、画素回路のレイアウトを説明する図である。
図7は、読み出し回路を説明する回路図およびブロック図である。
図8Aは、メモリ回路を説明するブロック図である。図8B乃至図8Eは、メモリセルを説明する回路図である。
図9Aは、ローリングシャッタの動作を説明する図である。図9Bは、グローバルシャッタの動作を説明する図である。
図10A乃至図10Cは、画素回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図11は、画素を説明する断面図である。
図12A乃至図12Cは、Siトランジスタを説明する図である。
図13A乃至図13Dは、OSトランジスタを説明する図である。
図14A、図14Bは、画素を説明する断面図である。
図15A、図15Bは、画素を説明する断面図である。
図16は、画素を説明する断面図である。
図17は、画素を説明する断面図である。
図18は、画素を説明する断面図である。
図19は、画素を説明する断面図である。
図20A、図20Bは、画素を説明する断面図である。
図21は、画素を説明する断面図である。
図22は、画素を説明する断面図である。
図23A1乃至図23A3、図23B1乃至図23B3は、撮像装置を収めたパッケージ、モジュールの斜視図である。
図24A乃至図24Fは、電子機器を説明する図である。
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view illustrating an imaging device.
2A to 2C are diagrams illustrating a method for producing a laminate.
3A and 3B are block diagrams illustrating an imaging device.
4A to 4C are circuit diagrams illustrating pixel circuits.
5A and 5B are circuit diagrams illustrating a pixel circuit.
6A and 6B are diagrams for explaining the layout of a pixel circuit.
FIG. 7 is a circuit diagram and a block diagram illustrating a read circuit.
8A is a block diagram illustrating a memory circuit, and FIGS. 8B to 8E are circuit diagrams illustrating a memory cell.
9A and 9B are diagrams illustrating the operation of a rolling shutter and a global shutter, respectively.
10A to 10C are timing charts illustrating the operation of the pixel circuit.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
12A to 12C are diagrams illustrating a Si transistor.
13A to 13D illustrate OS transistors.
14A and 14B are cross-sectional views illustrating a pixel.
15A and 15B are cross-sectional views illustrating a pixel.
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
FIG. 19 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
20A and 20B are cross-sectional views illustrating a pixel.
FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating a pixel.
23A1 to 23A3 and 23B1 to 23B3 are perspective views of a package and a module that house an imaging device.
24A to 24F are diagrams illustrating an electronic device.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。The embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that the form and details of the present invention can be modified in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not interpreted as being limited to the description of the embodiments shown below. In the configuration of the invention described below, the same reference numerals are used in common between different drawings for the same parts or parts having similar functions, and repeated explanations may be omitted. In addition, hatching of the same elements constituting the drawings may be omitted or changed as appropriate between different drawings.

また、回路図上では単一の要素として図示されている場合であっても、機能的に不都合がなければ、当該要素が複数で構成されてもよい。例えば、スイッチとして動作するトランジスタは、複数が直列または並列に接続されてもよい場合がある。また、キャパシタを分割して複数の位置に配置する場合もある。In addition, even if a circuit diagram shows a single element, the element may be configured as a plurality of elements as long as there is no functional problem. For example, a plurality of transistors operating as a switch may be connected in series or parallel. A capacitor may also be divided and placed in multiple positions.

また、一つの導電体が、配線、電極および端子のような複数の機能を併せ持っている場合があり、本明細書においては、同一の要素に対して複数の呼称を用いる場合がある。また、回路図上で要素間が直接接続されているように図示されている場合であっても、実際には当該要素間が一つまたは複数の導電体を介して接続されている場合があり、本明細書ではこのような構成でも直接接続の範疇に含める。In addition, one conductor may have multiple functions such as wiring, an electrode, and a terminal, and in this specification, multiple names may be used for the same element. Even if elements are shown as being directly connected to each other on a circuit diagram, the elements may actually be connected to each other via one or more conductors, and in this specification, such a configuration is also included in the category of direct connection.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置について、図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an imaging device which is one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

本発明の一態様は、積層された複数のデバイスを有する撮像装置である。当該撮像装置は、複数のデバイスが積層された第1の積層体と、複数のデバイスが積層された第2の積層体との貼り合わせによって形成される。したがって、機能の異なる回路などが複数積層される構成であっても、研磨工程や貼り合わせ工程を削減することができ、歩留まりを向上させることができる。One aspect of the present invention is an imaging device having a plurality of stacked devices. The imaging device is formed by bonding a first stack in which a plurality of devices are stacked and a second stack in which a plurality of devices are stacked. Therefore, even if a configuration in which multiple circuits with different functions are stacked, it is possible to reduce a polishing process and a bonding process, and to improve a yield.

例えば、第1の積層体に画素回路、画素の駆動回路などを設け、第2の積層体に画素回路の読み出し回路、メモリ回路、メモリ回路の駆動回路などを設けることができる。このような構成とすることで、小型の撮像装置を形成することができる。また、各回路を積層することで配線遅延などを抑制することができ、高速動作を行うことができる。For example, a pixel circuit, a pixel driving circuit, etc. can be provided in the first stack, and a pixel circuit readout circuit, a memory circuit, a memory circuit driving circuit, etc. can be provided in the second stack. By using such a configuration, a small-sized imaging device can be formed. In addition, by stacking each circuit, wiring delays can be suppressed, and high-speed operation can be performed.

<積層構造>
図1は、本発明の一態様の撮像装置を説明する断面斜視図である。撮像装置は、層201、層202、層203、層204および層205を有する。
<Layered structure>
1 is a cross-sectional perspective view illustrating an imaging device according to one embodiment of the present invention. The imaging device includes layers 201, 202, 203, 204, and 205.

なお、本実施の形態では、説明の明瞭化のため、撮像装置を上記5つの層に分割して説明するが、それぞれの層に含まれる要素の種類、数量、位置は本実施の説明に限定されない。例えば、層と層の境近傍にある絶縁層、配線およびプラグなど要素は、本実施の形態の説明とは異なる層に属する場合がある。また、各層には、本実施の形態で説明する要素とは異なる要素が含まれていてもよい。In this embodiment, for the sake of clarity, the imaging device is divided into the above five layers, but the types, quantities, and positions of elements included in each layer are not limited to those described in this embodiment. For example, elements such as insulating layers, wiring, and plugs near the boundaries between layers may belong to layers different from those described in this embodiment. Each layer may also include elements different from those described in this embodiment.

層201は、領域210を有する。領域210には、例えば、画素回路の読み出し回路、メモリ回路の駆動回路などを設けることができる。The layer 201 has a region 210. In the region 210, for example, a read circuit of a pixel circuit, a driver circuit of a memory circuit, and the like can be provided.

層202は、領域220を有する。領域220には、例えば、メモリ回路などを設けることができる。The layer 202 has a region 220. The region 220 can be provided with, for example, a memory circuit.

層203は、領域230を有する。領域230には、例えば、画素回路(光電変換デバイス240を除く)および画素回路の駆動回路などを設けることができる。The layer 203 has a region 230. In the region 230, for example, a pixel circuit (excluding the photoelectric conversion device 240) and a driver circuit for the pixel circuit can be provided.

層204は、光電変換デバイス240を有する。光電変換デバイス240には、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。なお、光電変換デバイス240は、画素回路の要素である。The layer 204 includes a photoelectric conversion device 240. The photoelectric conversion device 240 may be, for example, a photodiode. The photoelectric conversion device 240 is an element of a pixel circuit.

層205は、光学変換層250を有する。光学変換層250には、例えば、カラーフィルタなどを用いることができる。また、層205は、マイクロレンズアレイ255を有することができる。The layer 205 includes an optical conversion layer 250. For example, a color filter or the like can be used for the optical conversion layer 250. The layer 205 can also include a microlens array 255.

上述したように、本発明の一態様の撮像装置は、光電変換デバイス240、領域230に設けられる画素回路および画素回路の駆動回路、領域220に設けられるメモリ回路、領域210に設けられる画素回路の読み出し回路およびメモリ回路の駆動回路等を有する。As described above, the imaging device of one embodiment of the present invention includes the photoelectric conversion device 240, a pixel circuit and a driver circuit for the pixel circuit provided in the region 230, a memory circuit provided in the region 220, a readout circuit for the pixel circuit and a driver circuit for the memory circuit provided in the region 210, and the like.

ここで、光電変換デバイス240は、可視光に感度を有することが好ましい。例えば、光電変換デバイス240にシリコンを光電変換層に用いるSiフォトダイオードを用いることができる。Here, it is preferable that the photoelectric conversion device 240 has sensitivity to visible light. For example, the photoelectric conversion device 240 may be a Si photodiode that uses silicon for a photoelectric conversion layer.

画素回路および画素回路の駆動回路等の構成要素には、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタ)を用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さく、画素回路からのデータの不必要な流出を抑えることができる。したがって、複数の画素回路でデータを一斉に取得し、順次読み出しを行うグローバルシャッタ動作を簡易な回路構成で行うことができる。また、画素の駆動回路は、画素回路と共通の工程で形成することができる。For components such as pixel circuits and driver circuits for pixel circuits, it is preferable to use transistors using metal oxide in their channel formation regions (hereinafter, referred to as OS transistors). OS transistors have an extremely small off-state current and can suppress unnecessary outflow of data from pixel circuits. Therefore, a global shutter operation in which data is simultaneously acquired by a plurality of pixel circuits and sequentially read out can be performed with a simple circuit configuration. In addition, the driver circuits for the pixels can be formed in a process common to the pixel circuits.

メモリ回路にもOSトランジスタを用いることが好ましい。メモリ回路のセルトランジスタにOSトランジスタを用いることで、データの不必要な流出を抑えることができ、リフレッシュの頻度を抑えることができる。したがって消費電力を抑えることができる。It is also preferable to use an OS transistor in a memory circuit. By using an OS transistor as a cell transistor in a memory circuit, unnecessary data leakage can be suppressed and the frequency of refresh can be reduced, thereby reducing power consumption.

画素回路の読み出し回路およびメモリ回路の駆動回路等では、高速動作が要求されるため、移動度の高いトランジスタを用いることが好ましい。例えば、チャネル形成領域にシリコンを用いたトランジスタ(以下、Siトランジスタ)を用いることが好ましい。Siトランジスタとしては、アモルファスシリコンを有するトランジスタ、結晶性のシリコン(微結晶シリコン、低温ポリシリコン、単結晶シリコン)を有するトランジスタなどが挙げられる。なお、画素回路の駆動回路はSiトランジスタで形成されてもよい。In the readout circuit of the pixel circuit and the drive circuit of the memory circuit, etc., high-speed operation is required, so it is preferable to use a transistor with high mobility. For example, it is preferable to use a transistor using silicon in the channel formation region (hereinafter, Si transistor). Examples of Si transistors include transistors having amorphous silicon and transistors having crystalline silicon (microcrystalline silicon, low-temperature polysilicon, single crystal silicon). Note that the drive circuit of the pixel circuit may be formed of a Si transistor.

Siデバイスを複数積層する場合、研磨工程や貼り合わせ工程が複数回必要になる。そのため、工程数が多い、専用の装置が必要、歩留まりが低い、などの課題があり、製造コストも高い。本発明の一態様では、Siデバイス上にOSトランジスタを用いた回路を形成することで、研磨工程および貼り合わせ工程を削減することができる。When multiple Si devices are stacked, polishing and bonding steps are required multiple times. This leads to problems such as a large number of steps, the need for dedicated equipment, low yield, and high manufacturing costs. In one embodiment of the present invention, a circuit using an OS transistor is formed over a Si device, so that the polishing and bonding steps can be reduced.

OSトランジスタは、貼り合わせやバンプ接合などの複雑な工程を用いず、Siデバイス(Siトランジスタ、Siフォトダイオード)上に絶縁層を介して形成することができる。An OS transistor can be formed over a Si device (a Si transistor or a Si photodiode) with an insulating layer therebetween, without using complicated processes such as bonding or bump bonding.

したがって、本発明の一態様では、層201はシリコン基板を含む層とし、領域210にはSiトランジスタを有する回路を形成する。そして、図2Aに示すように、層201上に層202を形成する。層202の領域220には、OSトランジスタを有する回路を形成する。Thus, in one embodiment of the present invention, the layer 201 is a layer including a silicon substrate, and a circuit having a Si transistor is formed in a region 210. Then, as shown in Fig. 2A, a layer 202 is formed over the layer 201. A circuit having an OS transistor is formed in a region 220 of the layer 202.

また、層204はシリコン基板を含む層とし、層204に光電変換デバイス240としてSiフォトダイオードを形成する。そして、図2Bに示すように、層204上に層203を形成する。層203の領域230には、OSトランジスタを有する回路を形成する。The layer 204 is a layer including a silicon substrate, and a Si photodiode is formed as a photoelectric conversion device 240 in the layer 204. Then, as shown in FIG 2B, a layer 203 is formed over the layer 204. In a region 230 of the layer 203, a circuit having an OS transistor is formed.

そして、図2Cに示すように、層202と層203とを面Aで貼り合わせることで、層201乃至層204が重なる積層構成を作製することができる。図1は、図2Cに示す積層体の層204上に、さらに層205を設けた構成である。2C, the layer 202 and the layer 203 are attached to each other at the surface A, thereby forming a stacked structure in which the layers 201 to 204 are stacked. FIG 1 shows a structure in which a layer 205 is further provided on the layer 204 of the stack shown in FIG 2C.

Siデバイスを積層する場合においては、4層の積層であれば、研磨工程および貼り合わせ工程が少なくともそれぞれ3回程度必要になるが、本発明の一態様では、研磨工程が1または2回、貼り合わせ工程は1回とすることができる。In the case of stacking Si devices, if four layers are stacked, the polishing step and the bonding step will each need to be performed at least three times. However, in one embodiment of the present invention, the polishing step can be performed once or twice, and the bonding step can be performed once.

<回路>
図3Aは、層201乃至203が有する要素の電気的な接続を説明する簡易的なブロック図である。なお、層204が有する光電変換デバイス240は、回路上では画素回路331(PIX)に含まれるため、ここでは図示していない。
<Circuit>
3A is a simplified block diagram for explaining electrical connections of elements included in the layers 201 to 203. Note that the photoelectric conversion device 240 included in the layer 204 is not shown here because it is included in the pixel circuit 331 (PIX) on the circuit.

画素回路331はマトリクス状に並べて設けられ、配線351を介して駆動回路332(Driver)と電気的に接続される。駆動回路332は、画素回路331のデータ取得動作および選択動作などの制御を行うことができる。駆動回路332には、例えば、シフトレジスタなどを用いることができる。The pixel circuits 331 are arranged in a matrix and electrically connected to a driver circuit 332 (Driver) via wiring 351. The driver circuit 332 can control data acquisition and selection operations of the pixel circuits 331. The driver circuit 332 can be, for example, a shift register.

また、画素回路331は、配線352を介して読み出し回路311(RC)と電気的に接続される。読み出し回路311は、ノイズを削減する相関二重サンプリング回路(CDS回路)およびアナログデータをデジタルデータに変換するA/Dコンバータを有する。In addition, the pixel circuit 331 is electrically connected to a readout circuit 311 (RC) via a wiring 352. The readout circuit 311 has a correlated double sampling circuit (CDS circuit) that reduces noise and an A/D converter that converts analog data into digital data.

読み出し回路311は、配線353を介してメモリ回路321(MEM)と電気的に接続される。メモリ回路321は、読み出し回路311から出力されたデジタルデータを保持することができる。または、読み出し回路311から直接外部にデジタルデータを出力することもできる。The reading circuit 311 is electrically connected to a memory circuit 321 (MEM) through a wiring 353. The memory circuit 321 can hold digital data output from the reading circuit 311. Alternatively, the reading circuit 311 can directly output digital data to the outside.

メモリ回路321は、配線354を介してロードライバ312(RD)と電気的に接続される。また、メモリ回路321は、配線355を介してカラムドライバ313(CD)と電気的に接続される。ロードライバ312はメモリ回路321の駆動回路であり、データの書き込みおよび読み出しを制御することができる。カラムドライバ313はメモリ回路321の駆動回路であり、データの読み出しを制御することができる。The memory circuit 321 is electrically connected to a row driver 312 (RD) via a wiring 354. The memory circuit 321 is also electrically connected to a column driver 313 (CD) via a wiring 355. The row driver 312 is a drive circuit for the memory circuit 321 and can control writing and reading of data. The column driver 313 is a drive circuit for the memory circuit 321 and can control reading of data.

画素回路331、読み出し回路311およびメモリ回路321の接続関係の詳細を図3Bのブロック図を用いて説明する。読み出し回路311の数は、画素回路331と同数とすることができ、一つの画素回路331につき、一つの読み出し回路311が配線352を介して電気的に接続される。また、読み出し回路311は複数の配線353と接続され、配線353のそれぞれは、一つのメモリセル321aと電気的に接続される。なお、読み出し回路311とメモリ回路321との間にデータ保持回路が設けられていてもよい。The details of the connection relationship between the pixel circuits 331, the readout circuits 311, and the memory circuits 321 will be described with reference to the block diagram of FIG. 3B. The number of readout circuits 311 can be the same as the number of pixel circuits 331, and one readout circuit 311 is electrically connected to one pixel circuit 331 via a wiring 352. The readout circuit 311 is connected to a plurality of wirings 353, and each of the wirings 353 is electrically connected to one memory cell 321a. A data retention circuit may be provided between the readout circuit 311 and the memory circuit 321.

読み出し回路311が有するA/Dコンバータは、所定のビット数分の二値データを並列出力する。したがって、A/Dコンバータは、当該ビット数分のメモリセル321aと接続される。例えば、A/Dコンバータの出力が8ビットである場合、8個のメモリセル321aと接続される。The A/D converter in the read circuit 311 outputs binary data of a predetermined number of bits in parallel. Therefore, the A/D converter is connected to memory cells 321a of the number of bits. For example, if the output of the A/D converter is 8 bits, the A/D converter is connected to eight memory cells 321a.

上述の構成によって、本発明の一態様の撮像装置では、すべての画素回路331で取得したアナログデータのA/D変換を並列して行うことができ、変換されたデジタルデータをメモリ回路321に直接書き込むことができる。つまり、撮像からメモリ回路への格納までを高速に行うことができる。また、撮像動作、A/D変換動作、読み出し動作を並列して行うことも可能である。With the above-described configuration, in the imaging device of one embodiment of the present invention, analog data acquired in all pixel circuits 331 can be A/D converted in parallel, and the converted digital data can be directly written to the memory circuit 321. In other words, the process from imaging to storage in the memory circuit can be performed at high speed. In addition, the imaging operation, the A/D conversion operation, and the read operation can be performed in parallel.

<画素回路>
図4Aは、画素回路331の一例を説明する回路図である。画素回路331は、光電変換デバイス240と、トランジスタ103と、トランジスタ104と、トランジスタ105と、トランジスタ106と、キャパシタ108を有することができる。なお、キャパシタ108を設けない構成としてもよい。
<Pixel circuit>
4A is a circuit diagram illustrating an example of a pixel circuit 331. The pixel circuit 331 can include a photoelectric conversion device 240, a transistor 103, a transistor 104, a transistor 105, a transistor 106, and a capacitor 108. Note that a configuration in which the capacitor 108 is not provided is also possible.

光電変換デバイス240の一方の電極(カソード)は、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ103のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ104のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ104のソースまたはドレインの一方は、キャパシタ108の一方の電極と電気的に接続される。キャパシタ108の一方の電極は、トランジスタ105のゲートと電気的に接続される。トランジスタ105のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ106のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。One electrode (cathode) of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 103. The other of the source or drain of the transistor 103 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 104. One of the source or drain of the transistor 104 is electrically connected to one electrode of the capacitor 108. One electrode of the capacitor 108 is electrically connected to the gate of the transistor 105. One of the source or drain of the transistor 105 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 106.

ここで、トランジスタ103のソースまたはドレインの他方、キャパシタ108の一方の電極、トランジスタ105のゲートを接続する配線をノードFDとする。ノードFDは電荷検出部として機能させることができる。Here, a wiring that connects the other of the source and the drain of the transistor 103, one electrode of the capacitor 108, and the gate of the transistor 105 is referred to as a node FD. The node FD can function as a charge detection portion.

光電変換デバイス240の他方の電極(アノード)は、配線121と電気的に接続される。トランジスタ103のゲートは、配線127と電気的に接続される。トランジスタ104のソースまたはドレインの他方は、配線122と電気的に接続される。トランジスタ105のソースまたはドレインの他方は、配線123に電気的に接続される。トランジスタ104のゲートは、配線126と電気的に接続される。トランジスタ106のゲートは、配線128と電気的に接続される。キャパシタ108の他方の電極は、例えばGND配線などの基準電位線と電気的に接続される。トランジスタ106のソースまたはドレインの他方は、配線352と電気的に接続される。The other electrode (anode) of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to a wiring 121. The gate of the transistor 103 is electrically connected to a wiring 127. The other of the source and drain of the transistor 104 is electrically connected to a wiring 122. The other of the source and drain of the transistor 105 is electrically connected to a wiring 123. The gate of the transistor 104 is electrically connected to a wiring 126. The gate of the transistor 106 is electrically connected to a wiring 128. The other electrode of the capacitor 108 is electrically connected to a reference potential line such as a GND wiring. The other of the source and drain of the transistor 106 is electrically connected to a wiring 352.

配線127、126、128は、各トランジスタの導通を制御する信号線としての機能を有することができる。配線352は出力線としての機能を有することができる。The wirings 127, 126, and 128 can function as signal lines for controlling the conduction of each transistor. The wiring 352 can function as an output line.

配線121、122、123は、電源線としての機能を有することができる。図4Aに示す構成では光電変換デバイス240のカソード側がトランジスタ103と電気的に接続する構成であり、ノードFDを高電位にリセットして動作させる構成であるため、配線122は高電位(配線121よりも高い電位)とする。4A, the cathode side of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to the transistor 103 and the node FD is reset to a high potential for operation, so the wiring 122 has a high potential (a higher potential than the wiring 121).

図4Aでは、光電変換デバイス240のカソードがノードFDと電気的に接続する構成を示したが、図4Bに示すように光電変換デバイス240のアノード側がトランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する構成としてもよい。FIG. 4A shows a configuration in which the cathode of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to the node FD. However, as shown in FIG. 4B, the anode side of the photoelectric conversion device 240 may be electrically connected to one of the source or drain of the transistor 103.

当該構成では、ノードFDを低電位にリセットして動作させる構成であるため、配線122は低電位(配線121よりも低い電位)とする。In this configuration, the node FD is reset to a low potential for operation, so the wiring 122 is set to a low potential (a lower potential than the wiring 121).

トランジスタ103は、ノードFDの電位を制御する機能を有する。トランジスタ104は、ノードFDの電位をリセットする機能を有する。トランジスタ105はソースフォロア回路の要素として機能し、ノードFDの電位を画像データとして配線352に出力することができる。トランジスタ106は画像データを出力する画素を選択する機能を有する。The transistor 103 has a function of controlling the potential of the node FD. The transistor 104 has a function of resetting the potential of the node FD. The transistor 105 functions as an element of a source follower circuit and can output the potential of the node FD as image data to the wiring 352. The transistor 106 has a function of selecting a pixel to which image data is output.

画素回路331が有するトランジスタ103乃至106にはOSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタは、オフ電流が極めて低い特性を有する。特に、トランジスタ103、104にオフ電流の低いトランジスタを用いることによって、ノードFDで電荷を保持できる期間を極めて長くすることができる。そのため、回路構成や動作方法を複雑にすることなく、全画素で同時に電荷の蓄積動作を行うグローバルシャッタ方式を適用することができる。It is preferable to use OS transistors as the transistors 103 to 106 in the pixel circuit 331. OS transistors have characteristics of extremely low off-state current. In particular, by using transistors with low off-state current as the transistors 103 and 104, the period during which charge can be held at the node FD can be made extremely long. Therefore, a global shutter system in which charge is accumulated simultaneously in all pixels can be applied without complicating the circuit configuration or operation method.

また、画素回路331は、図4Cに示す構成であってもよい。図4Cに示す画素回路331は、図4Aの構成にトランジスタ107を追加した構成である。Moreover, the pixel circuit 331 may have a configuration shown in Fig. 4C. The pixel circuit 331 shown in Fig. 4C has a configuration in which a transistor 107 is added to the configuration in Fig. 4A.

トランジスタ107のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ103のソースまたはドレインの他方およびトランジスタ104のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ107のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ105のゲートおよびキャパシタ108の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ107のゲートは配線129と電気的に接続される。配線129は、トランジスタの導通を制御する信号線としての機能を有することができる。One of the source or the drain of the transistor 107 is electrically connected to the other of the source or the drain of the transistor 103 and the other of the source or the drain of the transistor 104. The other of the source or the drain of the transistor 107 is electrically connected to the gate of the transistor 105 and one electrode of the capacitor 108. The gate of the transistor 107 is electrically connected to a wiring 129. The wiring 129 can function as a signal line that controls conduction of the transistor.

当該構成では、トランジスタ107の他方の電極、トランジスタ105のゲートおよびキャパシタ108の一方の電極を接続する配線をノードFDとする。In this configuration, a wiring that connects the other electrode of the transistor 107, the gate of the transistor 105, and one electrode of the capacitor 108 is a node FD.

トランジスタ107は、ノードFDの電荷の流出を抑制する機能を有する。したがって、トランジスタ107には、オフ電流の低いOSトランジスタを用いることが好ましい。なお、トランジスタ107およびキャパシタ108でメモリ回路MEMを構成しているともいえる。The transistor 107 has a function of suppressing outflow of charge from the node FD. Therefore, an OS transistor with low off-state current is preferably used as the transistor 107. Note that it can also be said that the transistor 107 and the capacitor 108 constitute a memory circuit MEM.

当該構成にすることで、トランジスタ103およびトランジスタ104にオフ電流の比較的高いSiトランジスタを用いたとしてもノードFDからの電荷の流出を抑えることができる。With this structure, even if Si transistors with relatively high off-state current are used as the transistors 103 and 104, charge outflow from the node FD can be suppressed.

したがって、トランジスタ107がOSトランジスタであれば、その他のトランジスタがすべてSiトランジスタであっても、ノードFDは優れた保持特性を示す。例えば、OSトランジスタのリーク電流が1zA、Siトランジスタのリーク電流が30fA、キャパシタ108の容量が20fFであるとき、フレームレート60Hzで、トランジスタ107なしではノードFDの電位の低下は25mVであるが、トランジスタ107ありでは、ノードFDの電位の低下は0.83nVと見積もられる。Therefore, if the transistor 107 is an OS transistor, the node FD has excellent retention characteristics even if the other transistors are all Si transistors. For example, when the leakage current of the OS transistor is 1 zA, the leakage current of the Si transistor is 30 fA, and the capacitance of the capacitor 108 is 20 fF, the potential drop of the node FD is estimated to be 25 mV without the transistor 107 at a frame rate of 60 Hz, whereas the potential drop of the node FD is estimated to be 0.83 nV with the transistor 107.

このように、当該構成の画素回路331は、トランジスタ107をOSトランジスタで設けることで、画素におけるデータの保持機能を高めることができ、グローバルシャッタ方式の動作に適する。また、トランジスタ107以外のトランジスタにSiトランジスタを用いることができるため、高速動作が可能である。In this manner, the pixel circuit 331 having this configuration can improve the data retention function of the pixel by using an OS transistor as the transistor 107, and is suitable for operation in a global shutter system. In addition, a Si transistor can be used for the transistor other than the transistor 107, enabling high-speed operation.

また、図5A、図5Bに例示するように、トランジスタにバックゲートを設けた構成としてもよい。図5Aは、バックゲートがフロントゲートと電気的に接続された構成を示しており、オン電流を高める効果を有する。図5Bは、バックゲートが定電位を供給できる配線と電気的に接続された構成を示しており、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。5A and 5B, a back gate may be provided in the transistor. Fig. 5A shows a configuration in which the back gate is electrically connected to the front gate, which has the effect of increasing the on-current. Fig. 5B shows a configuration in which the back gate is electrically connected to a wiring that can supply a constant potential, which can control the threshold voltage of the transistor.

また、図5A、図5Bに示したトランジスタの構成を組み合わせるなど、それぞれのトランジスタが適切な動作が行えるような構成としてもよい。また、バックゲートが設けられないトランジスタを画素回路331が有していてもよい。なお、図5A、図5Bは、図4Aに示す画素回路331にバックゲートを設ける例を示しているが、図4B、図4Cの画素回路331に適用することもできる。5A and 5B may be combined so that each transistor can operate appropriately. The pixel circuit 331 may include a transistor that does not have a back gate. Although FIGS. 5A and 5B show an example in which a back gate is provided in the pixel circuit 331 shown in FIG. 4A, the pixel circuit 331 may be applied to the pixel circuit 331 shown in FIGS. 4B and 4C.

図6A、図6Bは、図5Bに示す画素回路331のレイアウトの一例を示す上面図である。図6Aは画素回路331の各要素が明瞭になるように、キャパシタ108の上部電極までのレイヤーを示している。また、図6Bは、さらに各要素間または各要素と駆動回路を接続する配線を付加して示している。図6A、図6Bでは、トランジスタサイズをW/L=60nm/60nmとした例であり、1.2μm×1.3μmのエリアに要素を収めることができる。6A and 6B are top views showing an example of the layout of the pixel circuit 331 shown in FIG. 5B. FIG. 6A shows the layers up to the upper electrode of the capacitor 108 so that each element of the pixel circuit 331 can be clearly seen. FIG. 6B also shows wiring that connects each element between elements or each element to a driving circuit. FIG. 6A and 6B show an example in which the transistor size is W/L=60 nm/60 nm, and the elements can be accommodated in an area of 1.2 μm×1.3 μm.

<読み出し回路>
図7は、画素回路331に接続される読み出し回路311の一例を説明する図であり、CDS回路400の回路図およびCDS回路400と電気的に接続されるA/Dコンバータ410のブロック図を示している。なお、図7に示すCDS回路およびA/Dコンバータは一例であり、他の構成であってもよい。
<Readout circuit>
7 is a diagram for explaining an example of a readout circuit 311 connected to a pixel circuit 331, and shows a circuit diagram of a CDS circuit 400 and a block diagram of an A/D converter 410 electrically connected to the CDS circuit 400. Note that the CDS circuit and the A/D converter shown in FIG. 7 are merely examples, and other configurations may be used.

CDS回路400は、電圧変換用のトランジスタ401、容量結合用のキャパシタ402、電位Vを供給するトランジスタ403、A/Dコンバータ410に供給する電位を保持するトランジスタ404および電位保持用のキャパシタ405を有する構成とすることができる。CDS回路400は、入力が画素回路331と電気的に接続され、出力がA/Dコンバータ410のコンパレータ回路(COMP)と電気的に接続される。The CDS circuit 400 can have a configuration including a voltage conversion transistor 401, a capacitive coupling capacitor 402, a transistor 403 that supplies a potential V0 , a transistor 404 that holds a potential to be supplied to the A/D converter 410, and a potential holding capacitor 405. The CDS circuit 400 has an input electrically connected to the pixel circuit 331 and an output electrically connected to a comparator circuit (COMP) of the A/D converter 410.

配線352の電位がVres+Vdata(リセット電位+画像データの電位)のとき、ノードN(トランジスタ403、404およびキャパシタ402の接続点)の電位をVとする。そして、ノードNをフローティングとし、配線352の電位がVres(リセット電位)にすると、ノードNには、キャパシタ402の容量結合により、配線352の電位の変化分が加算される。したがって、ノードNの電位は、V+((Vres+Vdata)-Vres)であり、V=0とすると、Vdataの項のみが残る。Vresにはトランジスタの動作に伴うノイズ成分が含まれるため、当該ノイズ成分を削減することができる。When the potential of the wiring 352 is V res + V data (reset potential + potential of image data), the potential of the node N (the connection point of the transistors 403, 404 and the capacitor 402) is V0 . Then, when the node N is floating and the potential of the wiring 352 is V res (reset potential), a change in the potential of the wiring 352 is added to the node N due to the capacitive coupling of the capacitor 402. Therefore, the potential of the node N is V0 + ((V res + V data ) - V res ), and when V0 = 0, only the term V data remains. Since V res includes a noise component associated with the operation of the transistor, the noise component can be reduced.

A/Dコンバータ410は、コンパレータ回路(COMP)およびカウンター回路(COUNTER)を有する構成とすることができる。A/Dコンバータ410では、CDS回路400からコンパレータ回路(COMP)に入力される信号電位と、掃引される基準電位(RAMP)とが比較される。そして、コンパレータ回路(COMP)の出力に応じてカウンター回路(COUNTER)が動作し、複数の配線353にデジタル信号が出力される。The A/D converter 410 may have a configuration including a comparator circuit (COMP) and a counter circuit (COUNTER). In the A/D converter 410, a signal potential input from the CDS circuit 400 to the comparator circuit (COMP) is compared with a reference potential (RAMP) to be swept. Then, the counter circuit (COUNTER) operates according to the output of the comparator circuit (COMP), and digital signals are output to a plurality of wirings 353.

<メモリ回路>
図8Aは、メモリ回路321が有するメモリセル321aと、ロードライバ312と、カラムドライバ313との接続関係を示す図である。メモリセル321aを構成するトランジスタには、OSトランジスタを用いることができる。
<Memory circuit>
8A is a diagram showing the connection relationship between a memory cell 321a included in a memory circuit 321, a row driver 312, and a column driver 313. An OS transistor can be used as a transistor forming the memory cell 321a.

メモリ回路321は、一列にm(mは1以上の整数)個、一行にn(nは1以上の整数)個、計m×n個のメモリセル321aを有し、メモリセル321aはマトリクス状に配置されている。図8Aでは、メモリセル321aのアドレスも併せて表記している。例えば、[1,1]は1行1列目のアドレスに位置しているメモリセル321aを示し、[i,j](iは1以上m以下の整数、jは1以上n以下の整数)はi行j列目のアドレスに位置しているメモリセル321aを示している。なお、メモリ回路321とロードライバ312を接続している配線の数は、メモリセル321aの構成、一列中に含まれるメモリセル321aの数などによって決まる。また、メモリ回路321とカラムドライバ313とを接続している配線の数は、メモリセル321aの構成、一行中に含まれるメモリセル321aの数などによって決まる。The memory circuit 321 has m (m is an integer of 1 or more) memory cells 321a in one column and n (n is an integer of 1 or more) memory cells 321a in one row, totaling m×n memory cells 321a arranged in a matrix. In FIG. 8A, the addresses of the memory cells 321a are also indicated. For example, [1,1] indicates the memory cell 321a located at the address of the first row and the first column, and [i,j] (i is an integer of 1 to m, j is an integer of 1 to n) indicates the memory cell 321a located at the address of the i-th row and the j-th column. The number of wirings connecting the memory circuit 321 and the row driver 312 is determined by the configuration of the memory cells 321a, the number of memory cells 321a included in one column, and the like. The number of wirings connecting the memory circuit 321 and the column driver 313 is determined by the configuration of the memory cells 321a, the number of memory cells 321a included in one row, and the like.

図8B乃至図8Eは、メモリセル321aに適用できるメモリセル321aA乃至メモリセル321aDを説明する図である。なお、以下の説明において、ビット線類は、カラムドライバ313と接続することができる。また、ワード線類は、ロードライバ312と接続することができる。なお、ビット線類は、読み出し回路311とも電気的に接続するが、ここでは図示しない。8B to 8E are diagrams for explaining memory cells 321aA to 321aD that can be applied to the memory cell 321a. In the following description, the bit lines can be connected to a column driver 313. The word lines can be connected to a row driver 312. The bit lines are also electrically connected to a read circuit 311, but this is not shown here.

ロードライバ312およびカラムドライバ313には、例えば、デコーダ、またはシフトレジスタを用いることができる。なお、ロードライバ312およびカラムドライバ313は、複数が設けられていてもよい。For example, a decoder or a shift register can be used for the row driver 312 and the column driver 313. Note that a plurality of row drivers 312 and a plurality of column drivers 313 may be provided.

[DOSRAM]
図8Bに、DRAM型のメモリセル321aAの回路構成例を示す。本明細書等において、OSトランジスタを用いたDRAMを、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。メモリセル321aAは、トランジスタM11と、キャパシタCsと、を有する。
[DOSRAM]
8B shows an example of a circuit configuration of a DRAM memory cell 321aA. In this specification, a DRAM using an OS transistor is called a dynamic oxide semiconductor random access memory (DOSRAM). The memory cell 321aA includes a transistor M11 and a capacitor Cs.

トランジスタM11の第1端子は、キャパシタCsの第1端子と接続され、トランジスタM11の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM11のゲートは、配線WLと接続され、トランジスタM11のバックゲートは、配線BGLと接続されている。キャパシタCsの第2端子は、配線GNDLと接続されている。配線GNDLは、低レベル電位(基準電位)を与える配線である。A first terminal of the transistor M11 is connected to a first terminal of the capacitor Cs, a second terminal of the transistor M11 is connected to a wiring BIL, a gate of the transistor M11 is connected to a wiring WL, and a back gate of the transistor M11 is connected to a wiring BGL. A second terminal of the capacitor Cs is connected to a wiring GNDL. The wiring GNDL is a wiring that provides a low-level potential (reference potential).

配線BILは、ビット線として機能する。配線WLは、ワード線として機能する。配線BGLは、トランジスタM11のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM11のしきい値電圧を増減することができる。The wiring BIL functions as a bit line. The wiring WL functions as a word line. The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M11. The threshold voltage of the transistor M11 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.

データの書き込みおよび読み出しは、配線WLに高レベル電位を印加し、トランジスタM11を導通状態にし、配線BILとキャパシタCsの第1端子を電気的に接続することによって行われる。Data is written and read by applying a high-level potential to the wiring WL to turn on the transistor M11 and electrically connect the wiring BIL and the first terminal of the capacitor Cs.

トランジスタM11には、OSトランジスタを用いることが好ましい。また、OSトランジスタの半導体層には、インジウム、元素M(元素Mはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズの一つまたは複数)、亜鉛のいずれか一つを有する酸化物半導体を用いることが好ましい。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛を有する酸化物半導体を用いることが好ましい。The transistor M11 is preferably an OS transistor. In addition, an oxide semiconductor containing any one of indium, an element M (the element M is one or more of aluminum, gallium, yttrium, and tin), and zinc is preferably used for a semiconductor layer of the OS transistor. In particular, an oxide semiconductor containing indium, gallium, or zinc is preferably used.

インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体を適用したOSトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有している。トランジスタM11としてOSトランジスタを用いることによって、トランジスタM11のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタM11によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。An OS transistor using an oxide semiconductor containing indium, gallium, or zinc has a characteristic of having an extremely small off-state current. By using an OS transistor as the transistor M11, the leakage current of the transistor M11 can be made extremely low. That is, since written data can be held by the transistor M11 for a long time, the frequency of refreshing the memory cell can be reduced. Furthermore, the refresh operation of the memory cell can be eliminated.

[NOSRAM]
図8Cに、2つのトランジスタと1つのキャパシタを有するゲインセル型(「2Tr1C型」ともいう)のメモリセル321aBの回路構成例を示す。メモリセル321aBは、トランジスタM11と、トランジスタM3と、キャパシタCsと、を有する。
[NOSRAM]
8C shows an example of a circuit configuration of a gain cell type (also called "2Tr1C type") memory cell 321aB having two transistors and one capacitor. The memory cell 321aB has a transistor M11, a transistor M3, and a capacitor Cs.

トランジスタM11の第1端子は、キャパシタCsの第1端子と接続され、トランジスタM11の第2端子は、配線WBLと接続され、トランジスタM11のゲートは、配線WLと接続され、トランジスタM11のバックゲートは、配線BGLと接続されている。キャパシタCsの第2端子は、配線RLと接続されている。トランジスタM3の第1端子は、配線RBLと接続され、トランジスタM3の第2端子は、配線SLと接続され、トランジスタM3のゲートは、キャパシタCsの第1端子と接続されている。A first terminal of the transistor M11 is connected to the first terminal of the capacitor Cs, a second terminal of the transistor M11 is connected to the wiring WBL, a gate of the transistor M11 is connected to the wiring WL, and a back gate of the transistor M11 is connected to the wiring BGL. A second terminal of the capacitor Cs is connected to the wiring RL. A first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, a second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and a gate of the transistor M3 is connected to the first terminal of the capacitor Cs.

配線WBLは書き込みビット線として機能する。配線RBLは、読み出しビット線として機能する。配線WLは、ワード線として機能する。配線RLは、キャパシタCsの第2端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、配線RLには、基準電位を印加することが好ましい。The wiring WBL functions as a write bit line. The wiring RBL functions as a read bit line. The wiring WL functions as a word line. The wiring RL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitor Cs. When writing data and while the data is being held, it is preferable to apply a reference potential to the wiring RL.

配線BGLは、トランジスタM11のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM11のしきい値電圧を増減することができる。The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M11. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M11 can be increased or decreased.

データの書き込みは、配線WLに高レベル電位を印加し、トランジスタM11を導通状態にし、配線WBLとキャパシタCsの第1端子を電気的に接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM11が導通状態のときに、配線WBLに記録する情報に対応する電位を印加し、キャパシタCsの第1端子、およびトランジスタM3のゲートに該電位を書き込む。その後、配線WLに低レベル電位を印加し、トランジスタM11を非導通状態にすることによって、キャパシタCsの第1端子の電位、およびトランジスタM3のゲートの電位を保持する。Data is written by applying a high-level potential to the wiring WL, turning on the transistor M11, and electrically connecting the wiring WBL and the first terminal of the capacitor Cs. Specifically, when the transistor M11 is in a conductive state, a potential corresponding to the information to be recorded is applied to the wiring WBL, and the potential is written to the first terminal of the capacitor Cs and the gate of the transistor M3. After that, a low-level potential is applied to the wiring WL, turning off the transistor M11, thereby holding the potential of the first terminal of the capacitor Cs and the potential of the gate of the transistor M3.

データの読み出しは、配線RLと配線SLに所定の電位を印加することによって行われる。トランジスタM3のソース-ドレイン間に流れる電流、およびトランジスタM3の第1端子の電位は、トランジスタM3のゲートの電位、およびトランジスタM3の第2端子の電位によって決まるので、トランジスタM3の第1端子に接続されている配線RBLの電位を読み出すことによって、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM3のゲート)に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM3のゲート)に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。または、このメモリセルに書き込まれている情報の有無を知ることができる。Data is read by applying a predetermined potential to the wiring RL and the wiring SL. The current flowing between the source and drain of the transistor M3 and the potential of the first terminal of the transistor M3 are determined by the potential of the gate of the transistor M3 and the potential of the second terminal of the transistor M3, so the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M3) can be read by reading the potential of the wiring RBL connected to the first terminal of the transistor M3. In other words, the information written in this memory cell can be read from the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M3). Alternatively, it is possible to know whether or not information is written in this memory cell.

また、図8Dに示すように、配線WBLと配線RBLを一本の配線BILとしてまとめた構成であってもよい。図8Dに示すメモリセル321aCは、メモリセル321aBの配線WBLと配線RBLを一本の配線BILとして、トランジスタM11の第2端子、およびトランジスタM3の第1端子が、配線BILと接続されている構成となっている。つまり、メモリセル321aCは、書き込みビット線と、読み出しビット線と、を1本の配線BILとして動作する構成となっている。8D, the wiring WBL and the wiring RBL may be combined into a single wiring BIL. The memory cell 321aC shown in FIG. 8D is configured such that the wiring WBL and the wiring RBL of the memory cell 321aB are combined into a single wiring BIL, and the second terminal of the transistor M11 and the first terminal of the transistor M3 are connected to the wiring BIL. In other words, the memory cell 321aC is configured to operate the write bit line and the read bit line as a single wiring BIL.

なお、メモリセル321aBおよびメモリセル321aCにおいても、トランジスタM11にOSトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタM11にOSトランジスタを用いて、メモリセル321aBおよびメモリセル321aCのような2Tr1C型のメモリセルを用いた記憶装置をNOSRAM(Non-volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)という。Note that an OS transistor is preferably used as the transistor M11 in the memory cells 321aB and 321aC as well. A storage device using an OS transistor as the transistor M11 and using a 2Tr1C type memory cell such as the memory cells 321aB and 321aC is called a non-volatile oxide semiconductor random access memory (NOSRAM).

また、図8Dに、3トランジスタ1キャパシタのゲインセル型(「3Tr1C型」ともいう)のメモリセル321aDの回路構成例を示す。メモリセル321aDは、トランジスタM11、トランジスタM5、およびトランジスタM6と、キャパシタCsと、を有する。8D shows an example of a circuit configuration of a 3-transistor, 1-capacitor gain cell type (also called "3Tr1C type") memory cell 321aD. The memory cell 321aD has a transistor M11, a transistor M5, a transistor M6, and a capacitor Cs.

トランジスタM11の第1端子は、キャパシタCsの第1端子と接続され、トランジスタM11の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM11のゲートは、配線WLと接続され、トランジスタM11のバックゲートは、配線BGLと電気的に接続されている。キャパシタCsの第2端子は、トランジスタM5の第1端子と、配線GNDLと、に電気的に接続されている。トランジスタM5の第2端子は、トランジスタM6の第1端子と接続され、トランジスタM5のゲートは、キャパシタCsの第1端子と接続されている。トランジスタM6の第2端子は、配線BILと接続され、トランジスタM6のゲートは配線RLと接続されている。A first terminal of the transistor M11 is connected to a first terminal of the capacitor Cs, a second terminal of the transistor M11 is connected to the wiring BIL, a gate of the transistor M11 is connected to the wiring WL, and a back gate of the transistor M11 is electrically connected to the wiring BGL. A second terminal of the capacitor Cs is electrically connected to a first terminal of the transistor M5 and the wiring GNDL. A second terminal of the transistor M5 is connected to a first terminal of the transistor M6, and a gate of the transistor M5 is connected to the first terminal of the capacitor Cs. A second terminal of the transistor M6 is connected to the wiring BIL, and a gate of the transistor M6 is connected to the wiring RL.

配線BILは、ビット線として機能し、配線WLは、書き込みワード線として機能し、配線RLは、読み出しワード線として機能する。The wiring BIL functions as a bit line, the wiring WL functions as a write word line, and the wiring RL functions as a read word line.

配線BGLは、トランジスタM11のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線BGLに任意の電位を印加することによって、トランジスタM11のしきい値電圧を増減することができる。The wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M11. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M11 can be increased or decreased.

データの書き込みは、配線WLに高レベル電位を印加し、トランジスタM11を導通状態にし、配線BILとキャパシタCsの第1端子を接続することによって行われる。具体的には、トランジスタM11が導通状態のときに、配線BILに記録する情報に対応する電位を印加し、キャパシタCsの第1端子、およびトランジスタM5のゲートに該電位を書き込む。その後、配線WLに低レベル電位を印加し、トランジスタM11を非導通状態にすることによって、キャパシタCsの第1端子の電位、およびトランジスタM5のゲートの電位を保持する。Data is written by applying a high-level potential to the wiring WL, turning on the transistor M11, and connecting the wiring BIL to the first terminal of the capacitor Cs. Specifically, when the transistor M11 is in a conductive state, a potential corresponding to the information to be recorded is applied to the wiring BIL, and the potential is written to the first terminal of the capacitor Cs and the gate of the transistor M5. After that, a low-level potential is applied to the wiring WL, turning off the transistor M11, thereby holding the potential of the first terminal of the capacitor Cs and the potential of the gate of the transistor M5.

データの読み出しは、配線BILに所定の電位をプリチャージして、その後配線BILを電気的に浮遊状態にし、かつ配線RLに高レベル電位を印加することによって行われる。配線RLが高レベル電位となるので、トランジスタM6は導通状態となり、配線BILとトランジスタM5の第2端子が電気的に接続状態となる。このとき、トランジスタM5の第2端子には、配線BILの電位が印加されることになるが、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM5のゲート)に保持されている電位に応じて、トランジスタM5の第2端子の電位、および配線BILの電位が変化する。ここで、配線BILの電位を読み出すことによって、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM5のゲート)に保持されている電位を読み出すことができる。つまり、キャパシタCsの第1端子(またはトランジスタM5のゲート)に保持されている電位から、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。または、このメモリセルに書き込まれている情報の有無を知ることができる。Data is read by precharging the wiring BIL with a predetermined potential, then putting the wiring BIL in an electrically floating state, and applying a high-level potential to the wiring RL. Since the wiring RL is at a high-level potential, the transistor M6 is in a conductive state, and the wiring BIL and the second terminal of the transistor M5 are electrically connected. At this time, the potential of the wiring BIL is applied to the second terminal of the transistor M5, and the potential of the second terminal of the transistor M5 and the potential of the wiring BIL change depending on the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M5). Here, by reading the potential of the wiring BIL, the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M5) can be read. In other words, the information written in this memory cell can be read from the potential held in the first terminal of the capacitor Cs (or the gate of the transistor M5). Or, the presence or absence of information written in this memory cell can be known.

なお、メモリセル321aDにおいても、トランジスタM11にOSトランジスタを用いることが好ましい。トランジスタM11としてOSトランジスタを適用した3Tr1C型のメモリセル321aDは、前述したNOSRAMの一態様である。メモリセルは、回路の構成を適宜変更することができる。Note that in the memory cell 321aD, it is also preferable to use an OS transistor as the transistor M11. The 3Tr1C memory cell 321aD in which an OS transistor is used as the transistor M11 is one mode of the above-mentioned NOSRAM. The circuit configuration of the memory cell can be changed as appropriate.

<撮像装置の動作方式>
図9Aはローリングシャッタ方式の動作方法を模式化した図であり、図9Bはグローバルシャッタ方式を模式化した図である。Enはn列目(nは自然数)の露光(蓄積動作)、Rnはn列目の読み出し動作を表している。図9A、図9Bでは、1行目(Line[1])からM行目(Line[M]、Mは自然数)までの動作を示している。
<Operation method of imaging device>
Fig. 9A is a schematic diagram of the operation method of the rolling shutter method, and Fig. 9B is a schematic diagram of the global shutter method. En represents the exposure (accumulation operation) of the nth column (n is a natural number), and Rn represents the readout operation of the nth column. Figs. 9A and 9B show the operations from the 1st row (Line [1]) to the Mth row (Line [M], M is a natural number).

ローリングシャッタ方式は、露光とデータの読み出しを順次行う動作方法であり、ある行の読み出し期間と他の行の露光期間を重ねる方式である。露光後すぐに読み出し動作を行うため、データの保持期間が比較的短い回路構成であっても撮像を行うことができる。しかしながら、撮像の同時性がないデータで1フレームの画像が構成されるため、動体の撮像においては画像に歪が生じてしまう。The rolling shutter method is an operation method in which exposure and data readout are performed sequentially, overlapping the readout period of one row with the exposure period of another row. Since the readout operation is performed immediately after exposure, imaging can be performed even with a circuit configuration in which the data retention period is relatively short. However, since one frame of image is composed of data that is not simultaneously captured, distortion occurs in the image when capturing a moving object.

一方で、グローバルシャッタ方式は、全画素で同時に露光を行って各画素にデータを保持し、行毎にデータを読み出す動作方法である。したがって、動体の撮像であっても歪のない画像を得ることができる。On the other hand, the global shutter method is a method of operation in which all pixels are exposed simultaneously, data is stored in each pixel, and the data is read out row by row, making it possible to obtain images without distortion even when capturing a moving object.

画素回路にSiトランジスタなどの比較的オフ電流の高いトランジスタを用いた場合は、電荷検出部から電荷が流出しやすいためローリングシャッタ方式が多く用いられる。Siトランジスタを用いてグローバルシャッタ方式を実現するには、別途メモリ回路にデータを格納させるなど、複雑な動作を高速で行わなければならない。一方で、画素回路にOSトランジスタを用いた場合は、電荷検出部からのデータ電位の流出がほとんどないため、容易にグローバルシャッタ方式を実現することができる。なお、本発明の一態様の撮像装置をローリングシャッタ方式で動作させることもできる。When a transistor having a relatively high off-state current, such as a Si transistor, is used in a pixel circuit, a rolling shutter system is often used because charge tends to flow out from a charge detection unit. To realize the global shutter system using a Si transistor, a complex operation, such as storing data in a separate memory circuit, must be performed at high speed. On the other hand, when an OS transistor is used in a pixel circuit, the global shutter system can be easily realized because there is almost no flow of data potential from the charge detection unit. Note that the imaging device of one embodiment of the present invention can also be operated using the rolling shutter system.

なお、画素回路331は、OSトランジスタおよびSiトランジスタを任意に組み合わせた構成であってもよい。または、すべてのトランジスタをSiトランジスタとしてもよい。Note that the pixel circuit 331 may have a structure in which OS transistors and Si transistors are combined in any order, or all the transistors may be Si transistors.

<画素回路の動作><Pixel Circuit Operation>

次に、図4Aに示す画素回路331の動作の一例を図10Aのタイミングチャートを用いて説明する。なお、本明細書におけるタイミングチャートの説明においては、高電位を“H”、低電位を“L”で表す。配線121には常時“L”が供給され、配線122、123には常時“H”が供給されている状態とする。Next, an example of the operation of the pixel circuit 331 shown in Fig. 4A will be described with reference to the timing chart of Fig. 10A. In the description of the timing chart in this specification, a high potential is represented by "H" and a low potential is represented by "L." It is assumed that "L" is constantly supplied to the wiring 121, and "H" is constantly supplied to the wirings 122 and 123.

期間T1において、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ103、104が導通し、ノードFDには配線122の電位“H”が供給される(リセット動作)。In the period T1, when the potential of the wiring 126 is set to "H", the potential of the wiring 127 is set to "H", and the potential of the wiring 128 is set to "L", the transistors 103 and 104 are turned on, and the potential of the wiring 122 is supplied to the node FD (reset operation).

期間T2において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ104が非導通となってリセット電位の供給が遮断される。また、光電変換デバイス240の動作に応じてノードFDの電位が低下する(蓄積動作)。In the period T2, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "H", and the potential of the wiring 128 is set to "L", the transistor 104 is turned off and the supply of the reset potential is cut off. In addition, the potential of the node FD decreases in response to the operation of the photoelectric conversion device 240 (storage operation).

期間T3において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ103が非導通となり、ノードFDの電位は確定し、保持される(保持動作)。このとき、ノードFDに接続されるトランジスタ103およびトランジスタ104にオフ電流の低いOSトランジスタを用いることによって、ノードFDからの不必要な電荷の流出を抑えることができ、データの保持時間を延ばすことができる。In the period T3, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", and the potential of the wiring 128 is set to "L", the transistor 103 is turned off, and the potential of the node FD is determined and held (holding operation). At this time, by using OS transistors with low off-state current as the transistors 103 and 104 connected to the node FD, unnecessary outflow of charge from the node FD can be suppressed, and the data retention time can be extended.

期間T4において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“H”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線352に読み出される(読み出し動作)。In the period T4, when the potential of the wiring 126 is set to “L”, the potential of the wiring 127 is set to “L”, and the potential of the wiring 128 is set to “H”, the transistor 106 is turned on, and the potential of the node FD is read out to the wiring 352 by the source follower operation of the transistor 105 (read operation).

以上が図4Aに示す画素回路331の動作の一例である。The above is an example of the operation of pixel circuit 331 shown in FIG. 4A.

図4Bに示す画素回路331は、図10Bのタイミングチャートに従って動作させることができる。なお、配線121、123には常時“H”が供給され、配線122には常時“L”が供給されている状態とする。基本的な動作は、上記の図10Aのタイミングチャートの説明と同様である。The pixel circuit 331 shown in Fig. 4B can be operated according to the timing chart of Fig. 10B. Note that "H" is constantly supplied to the wirings 121 and 123, and "L" is constantly supplied to the wiring 122. The basic operation is the same as that described above with reference to the timing chart of Fig. 10A.

図4Cに示す画素回路331は、図10Cのタイミングチャートに従って動作させることができる。なお、図4Cの画素回路331では、配線129を行毎に制御することでCDS回路400での読み出し動作を容易に行うことができる。したがって、CDS回路400の動作も併せて説明する。なお、トランジスタ401(図7参照)のゲートには、適切なアナログ電位が供給されていることとする。The pixel circuit 331 shown in Fig. 4C can be operated according to the timing chart of Fig. 10C. In the pixel circuit 331 in Fig. 4C, the wiring 129 can be controlled for each row to easily perform a read operation in the CDS circuit 400. Therefore, the operation of the CDS circuit 400 will also be described. It is assumed that an appropriate analog potential is supplied to the gate of the transistor 401 (see Fig. 7).

期間T1において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”、配線129の電位を“H”とすると、トランジスタ107が導通する。In the period T1, the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", the potential of the wiring 128 is set to "L", and the potential of the wiring 129 is set to "H", so that the transistor 107 is turned on.

続いて、期間T2において、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”、配線129の電位を“H”とすると、トランジスタ104が導通し、ノードFDには配線122の電位“H”(リセット電位)が供給される(リセット動作)。Next, in the period T2, when the potential of the wiring 126 is set to “H”, the potential of the wiring 127 is set to “L”, the potential of the wiring 128 is set to “L”, and the potential of the wiring 129 is set to “H”, the transistor 104 becomes conductive, and the potential of the wiring 122 (reset potential) is supplied to the node FD (reset operation).

期間T3において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”、配線129の電位を“H”とすると、トランジスタ104が非導通となり、ノードFDはリセット電位に保持される。In the period T3, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", the potential of the wiring 128 is set to "L", and the potential of the wiring 129 is set to "H", the transistor 104 is turned off and the node FD is held at the reset potential.

期間T4において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”、配線129の電位を“H”とすると、トランジスタ103が導通し、光電変換デバイス240の動作に応じてノードFDの電位が低下する(転送動作)。In period T4, when the potential of the wiring 126 is set to “L”, the potential of the wiring 127 is set to “H”, the potential of the wiring 128 is set to “L”, and the potential of the wiring 129 is set to “H”, the transistor 103 becomes conductive, and the potential of the node FD decreases in response to the operation of the photoelectric conversion device 240 (transfer operation).

期間T5において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”、配線129の電位を“H”とすると、トランジスタ103が非導通となり、ノードFDの電位が確定する。In the period T5, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", the potential of the wiring 128 is set to "L", and the potential of the wiring 129 is set to "H", the transistor 103 is turned off, and the potential of the node FD is determined.

期間T6において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”、配線129の電位を“L”とすると、トランジスタ107が非導通となり、ノードFDの電位が保持される(保持動作)。このとき、ノードFDに接続されるトランジスタ107にオフ電流の低いOSトランジスタを用いることによって、ノードFDからの不必要な電荷の流出を抑えることができ、データの保持時間を延ばすことができる。In the period T6, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", the potential of the wiring 128 is set to "L", and the potential of the wiring 129 is set to "L", the transistor 107 is turned off, and the potential of the node FD is held (holding operation). At this time, by using an OS transistor with low off-state current as the transistor 107 connected to the node FD, unnecessary outflow of charge from the node FD can be suppressed, and the data retention time can be extended.

期間T7において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“H”、配線129の電位を“L”、配線431(図7参照)の電位を“H”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線352に読み出される(読み出し動作)。In the period T7, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", the potential of the wiring 128 is set to "H", the potential of the wiring 129 is set to "L", and the potential of the wiring 431 (see Figure 7) is set to "H", the transistor 106 is turned on, and the potential of the node FD is read out to the wiring 352 by the source follower action of the transistor 105 (read operation).

また、CDS回路400(図7参照)において、トランジスタ403が導通し、ノードNが配線432の電位“Vr”にリセットされる。つまり、配線352と電気的に接続するキャパシタ402の一方の電極の電位が、画素回路331が画像データを出力している状態であるときに、ノードN(キャパシタ402の他方の電極)が、電位“Vr”に初期化される。In the CDS circuit 400 (see FIG. 7), the transistor 403 is turned on, and the node N is reset to the potential "Vr" of the wiring 432. That is, when the pixel circuit 331 is outputting image data, the potential of one electrode of the capacitor 402 electrically connected to the wiring 352 is initialized to the potential "Vr" at the node N (the other electrode of the capacitor 402).

時刻T8において、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“H”、配線129の電位を“H”、配線431の電位を“L”とすると、トランジスタ107が導通する。また、ノードNの電位は電位“Vr”に保持される。At time T8, when the potential of the wiring 126 is set to "L", the potential of the wiring 127 is set to "L", the potential of the wiring 128 is set to "H", the potential of the wiring 129 is set to "H", and the potential of the wiring 431 is set to "L", the transistor 107 is turned on. The potential of the node N is held at the potential "Vr".

時刻T9において、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“H”、配線129の電位を“H”、配線431の電位を“L”とすると、トランジスタ104が導通し、ノードFDには配線122の電位“H”(リセット電位)が供給される。At time T9, when the potential of wiring 126 is set to “H”, the potential of wiring 127 is set to “L”, the potential of wiring 128 is set to “H”, the potential of wiring 129 is set to “H”, and the potential of wiring 431 is set to “L”, the transistor 104 becomes conductive, and the potential of wiring 122 (reset potential) is supplied to node FD.

時刻T10において、配線126の電位を“L”、時刻T11において、配線129の電位を“L”とすることで、トランジスタ104およびトランジスタ107を非導通とし、ノードFDの電位をリセット電位に保持する。At time T10, the potential of the wiring 126 is set to "L", and at time T11, the potential of the wiring 129 is set to "L". This makes the transistors 104 and 107 non-conductive and holds the potential of the node FD at the reset potential.

そして、ノードFDの電位変化に伴うソースフォロア動作によりキャパシタ402の一方の電極の電位が変化し、その変化分Yが容量結合によってノードNの電位“Vr”に加算される。したがって、ノードNの電位は、“Vr+Y”になる。ここで、Yはリセット電位成分を含まない画像データであり、ノイズ成分が削減されたデータが読み出されることになる。Then, the potential of one electrode of the capacitor 402 changes due to a source follower operation accompanying the potential change of the node FD, and the change Y is added to the potential "Vr" of the node N by capacitive coupling. Therefore, the potential of the node N becomes "Vr+Y." Here, Y is image data that does not include a reset potential component, and data with reduced noise components is read out.

<積層構造1>
次に、撮像装置の積層構造について、断面図を用いて説明する。
<Layer structure 1>
Next, the layered structure of the imaging device will be described with reference to a cross-sectional view.

図11は、層201乃至層205を有し、層202と層203の間に貼り合わせ面を有する積層体の断面図の一例である。FIG. 11 is an example of a cross-sectional view of a stack including layers 201 to 205 and a bonding surface between the layer 202 and the layer 203. In FIG.

<層201>
層201は、シリコン基板211に設けられた読み出し回路311、ロードライバ312およびカラムドライバ313を有する。ここでは、上記回路の一部として、読み出し回路311のCDS回路が有するキャパシタ402およびトランジスタ403、読み出し回路311のA/Dコンバータが有するトランジスタ115、およびロードライバ312が有するトランジスタ116を示している。キャパシタ402の一方の電極およびトランジスタ403のソースまたはドレインの一方は電気的に接続されている。
<Layer 201>
The layer 201 has a read circuit 311, a row driver 312, and a column driver 313 provided on a silicon substrate 211. Here, as parts of the above circuits, a capacitor 402 and a transistor 403 included in the CDS circuit of the read circuit 311, a transistor 115 included in the A/D converter of the read circuit 311, and a transistor 116 included in the row driver 312 are shown. One electrode of the capacitor 402 and one of the source or drain of the transistor 403 are electrically connected.

層201には、絶縁層212、213、214、215、216、217、218が設けられる。絶縁層212は保護膜としての機能を有する。絶縁層212、213、214、217は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層216は、キャパシタ402の誘電体層としての機能を有する。絶縁層218は、ブロッキング膜としての機能を有する。The layer 201 is provided with insulating layers 212, 213, 214, 215, 216, 217, and 218. The insulating layer 212 functions as a protective film. The insulating layers 212, 213, 214, and 217 function as an interlayer insulating film and a planarizing film. The insulating layer 216 functions as a dielectric layer of the capacitor 402. The insulating layer 218 functions as a blocking film.

保護膜としては、例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いることができる。層間絶縁膜および平坦化膜としては、例えば、酸化シリコン膜などの無機絶縁膜、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。キャパシタの誘電体層としては、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いることができる。ブロッキング膜としては、水素の拡散を防止する機能を有する膜を用いることが好ましい。As the protective film, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, an aluminum oxide film, etc. can be used. As the interlayer insulating film and the planarizing film, for example, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film, and an organic insulating film such as an acrylic resin or a polyimide resin can be used. As the dielectric layer of the capacitor, a silicon nitride film, a silicon oxide film, an aluminum oxide film, etc. can be used. As the blocking film, it is preferable to use a film having a function of preventing the diffusion of hydrogen.

Siデバイスにおいて、水素はダングリングボンドを終端するために必要とされるが、OSトランジスタの近傍にある水素は、酸化物半導体層中にキャリアを生成する要因の一つとなり、信頼性を低下させる。したがって、Siデバイスが形成される層とOSトランジスタが形成される層との間には、水素のブロッキング膜が設けられることが好ましい。In a Si device, hydrogen is required to terminate dangling bonds, but hydrogen near an OS transistor is one of the factors that generates carriers in an oxide semiconductor layer and reduces reliability. Therefore, a hydrogen blocking film is preferably provided between a layer in which a Si device is formed and a layer in which an OS transistor is formed.

当該ブロッキング膜としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。As the blocking film, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.

図11に示すSiトランジスタはシリコン基板211にチャネル形成領域を有するフィン型であり、チャネル幅方向の断面(図11に示すA1-A2の断面)を図12Aに示す。なお、Siトランジスタは、図12Bに示すようにプレーナー型であってもよい。The Si transistor shown in Fig. 11 is a fin type having a channel formation region in a silicon substrate 211, and a cross section in the channel width direction (cross section A1-A2 shown in Fig. 11) is shown in Fig. 12A. The Si transistor may be a planar type as shown in Fig. 12B.

または、図12Cに示すように、シリコン薄膜の半導体層545を有するトランジスタであってもよい。半導体層545は、例えば、シリコン基板211上の絶縁層546上に形成された単結晶シリコン(SOI(Silicon on Insulator))とすることができる。12C, the transistor may have a silicon thin-film semiconductor layer 545. The semiconductor layer 545 may be, for example, single crystal silicon (SOI (Silicon on Insulator)) formed on an insulating layer 546 on a silicon substrate 211.

なお、デバイス間の電気的な接続に用いられる配線、電極およびプラグとして用いることのできる導電体には、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を適宜選択して用いればよい。当該導電体は単層に限らず、異なる材料で構成された複数の層であってもよい。The conductor that can be used as wiring, electrodes, and plugs for electrical connection between devices may be a metal element selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, lanthanum, etc., or an alloy containing the above-mentioned metal elements as components, or an alloy combining the above-mentioned metal elements, etc. The conductor is not limited to a single layer, and may be multiple layers composed of different materials.

<層202>
層202は、層201上に形成される。層202は、OSトランジスタを有するメモリ回路321を有する。ここでは、メモリ回路321の一部として、メモリセル321aが有するトランジスタ111およびキャパシタ112を示している。
<Layer 202>
The layer 202 is formed over the layer 201. The layer 202 includes a memory circuit 321 including an OS transistor. Here, the transistor 111 and the capacitor 112 included in a memory cell 321a are shown as part of the memory circuit 321.

層202には、絶縁層221、222、223、224、225、226、227、228、229が設けられる。また、導電層131が設けられる。The layer 202 is provided with insulating layers 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, and 229. In addition, a conductive layer 131 is provided.

絶縁層221、224、225、227、228は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層222は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。絶縁層223は、保護膜としての機能を有する、絶縁層226は、キャパシタの誘電体層としての機能を有する。絶縁層229および導電層131は、貼り合わせ層としての機能を有する。The insulating layers 221, 224, 225, 227, and 228 function as an interlayer insulating film and a planarizing film. The insulating layer 222 functions as a gate insulating film. The insulating layer 223 functions as a protective film, and the insulating layer 226 functions as a dielectric layer of a capacitor. The insulating layer 229 and the conductive layer 131 function as bonding layers.

ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜などを用いることができる。貼り合わせ層に関しては後述する。The gate insulating film may be a silicon oxide film, etc. The lamination layer will be described later.

導電層131は、層201のキャパシタ402の他方の電極と電気的に接続される。トランジスタ111のソースまたはドレインの一方は、層201のトランジスタ115のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ111のゲートは、層201のトランジスタ116のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ111のソースまたはドレインの他方は、キャパシタ112の一方の電極と電気的に接続される。The conductive layer 131 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 402 in the layer 201. One of the source or the drain of the transistor 111 is electrically connected to the one of the source or the drain of the transistor 115 in the layer 201. The gate of the transistor 111 is electrically connected to the one of the source or the drain of the transistor 116 in the layer 201. The other of the source or the drain of the transistor 111 is electrically connected to one electrode of the capacitor 112.

図13AにOSトランジスタの詳細を示す。図13Aに示すOSトランジスタは、酸化物半導体層および導電層の積層上に絶縁層を設け、当該酸化物半導体層に達する開口部を設けることでソース電極705およびドレイン電極706を形成するセルフアライン型の構成である。13A illustrates the details of an OS transistor. The OS transistor illustrated in FIG 13A has a self-aligned structure in which an insulating layer is provided over a stack of an oxide semiconductor layer and a conductive layer, and a source electrode 705 and a drain electrode 706 are formed by providing openings that reach the oxide semiconductor layer.

OSトランジスタは、酸化物半導体層に形成されるチャネル形成領域、ソース領域703およびドレイン領域704のほか、ゲート電極701、ゲート絶縁膜702を有する構成とすることができる。当該開口部には少なくともゲート絶縁膜702およびゲート電極701が設けられる。当該溝には、さらに酸化物半導体層707が設けられていてもよい。The OS transistor can have a structure including a channel formation region, a source region 703, and a drain region 704 formed in an oxide semiconductor layer, as well as a gate electrode 701 and a gate insulating film 702. At least the gate insulating film 702 and the gate electrode 701 are provided in the opening. An oxide semiconductor layer 707 may be further provided in the groove.

OSトランジスタは、図13Bに示すように、ゲート電極701をマスクとして半導体層にソース領域703およびドレイン領域704を形成するセルフアライン型の構成としてもよい。As shown in FIG. 13B, the OS transistor may have a self-aligned structure in which a source region 703 and a drain region 704 are formed in a semiconductor layer using a gate electrode 701 as a mask.

または、図13Cに示すように、ソース電極705またはドレイン電極706とゲート電極701とが重なる領域を有するノンセルフアライン型のトップゲート型トランジスタであってもよい。Alternatively, as shown in FIG. 13C, it may be a non-self-aligned top-gate transistor having a region where the source electrode 705 or the drain electrode 706 overlaps with the gate electrode 701 .

OSトランジスタはバックゲート535を有する構造を示しているが、バックゲートを有さない構造であってもよい。バックゲート535は、図13Dに示すトランジスタのチャネル幅方向の断面図のように、対向して設けられるトランジスタのフロントゲートと電気的に接続してもよい。なお、図13Dは図13Aに示すB1-B2の断面を例として示しているが、その他の構造のトランジスタも同様である。また、バックゲート535にフロントゲートとは異なる固定電位を供給することができる構成であってもよい。Although the OS transistor has a structure including a back gate 535, the OS transistor may have a structure without a back gate. The back gate 535 may be electrically connected to the front gate of a transistor provided opposite to the back gate, as shown in the cross-sectional view of the transistor in the channel width direction in FIG. 13D. Note that FIG. 13D shows the cross section taken along line B1-B2 in FIG. 13A as an example, but the same applies to transistors having other structures. In addition, the back gate 535 may be supplied with a fixed potential different from that of the front gate.

OSトランジスタに用いる半導体材料としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体などであり、例えば、後述するCAAC-OSまたはCAC-OSなどを用いることができる。CAAC-OSは結晶を構成する原子が安定であり、信頼性を重視するトランジスタなどに適する。また、CAC-OSは、高移動度特性を示すため、高速駆動を行うトランジスタなどに適する。As a semiconductor material for an OS transistor, a metal oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more can be used. A typical example is an oxide semiconductor containing indium, and for example, CAAC-OS or CAC-OS described later can be used. CAAC-OS has stable atoms constituting a crystal, and is suitable for transistors in which reliability is important. In addition, CAC-OS has high mobility, and is therefore suitable for transistors that operate at high speed.

OSトランジスタは半導体層のエネルギーギャップが大きいため、数yA/μm(チャネル幅1μmあたりの電流値)という極めて低いオフ電流特性を示す。また、OSトランジスタは、インパクトイオン化、アバランシェ降伏、および短チャネル効果などが生じないなどSiトランジスタとは異なる特徴を有し、高耐圧で信頼性の高い回路を形成することができる。また、Siトランジスタでは問題となる結晶性の不均一性に起因する電気特性のばらつきもOSトランジスタでは生じにくい。Since the energy gap of the semiconductor layer is large, the OS transistor exhibits extremely low off-current characteristics of several yA/μm (current value per 1 μm of channel width). In addition, the OS transistor has characteristics different from those of a Si transistor, such as no impact ionization, no avalanche breakdown, and no short channel effect, and can form a highly reliable circuit with high withstand voltage. In addition, the variation in electrical characteristics caused by non-uniformity of crystallinity, which is a problem in a Si transistor, is unlikely to occur in an OS transistor.

OSトランジスタが有する半導体層は、例えばインジウム、亜鉛およびM(アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属の一つまたは複数)を含むIn-M-Zn系酸化物で表記される膜とすることができる。In-M-Zn系酸化物は、代表的には、スパッタリング法で形成することができる。または、ALD(Atomic layer deposition)法を用いて形成してもよい。A semiconductor layer included in an OS transistor can be, for example, a film expressed as an In-M-Zn-based oxide containing indium, zinc, and M (one or more metals such as aluminum, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, cerium, tin, neodymium, or hafnium). The In-M-Zn-based oxide can be typically formed by a sputtering method. Alternatively, it may be formed by an atomic layer deposition (ALD) method.

In-M-Zn系酸化物をスパッタリング法で形成するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:3、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7、In:M:Zn=5:1:8等が好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。The atomic ratio of the metal elements of the sputtering target used for forming the In-M-Zn oxide by the sputtering method preferably satisfies In≧M and Zn≧M. As the atomic ratio of the metal elements of such a sputtering target, In:M:Zn=1:1:1, In:M:Zn=1:1:1.2, In:M:Zn=3:1:2, In:M:Zn=4:2:3, In:M:Zn=4:2:4.1, In:M:Zn=5:1:6, In:M:Zn=5:1:7, In:M:Zn=5:1:8, etc. are preferable. Note that the atomic ratio of the semiconductor layer to be formed includes a variation of ±40% of the atomic ratio of the metal elements contained in the above sputtering target.

半導体層としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、半導体層は、キャリア密度が1×1017/cm以下、好ましくは1×1015/cm以下、さらに好ましくは1×1013/cm以下、より好ましくは1×1011/cm以下、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10-9/cm以上のキャリア密度の酸化物半導体を用いることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。当該酸化物半導体は欠陥準位密度が低く、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。For the semiconductor layer, an oxide semiconductor with low carrier density is used. For example, an oxide semiconductor with a carrier density of 1×10 17 /cm 3 or less, preferably 1×10 15 /cm 3 or less, more preferably 1×10 13 /cm 3 or less, more preferably 1×10 11 /cm 3 or less, and further preferably less than 1×10 10 /cm 3 , and with a carrier density of 1×10 -9 /cm 3 or more can be used for the semiconductor layer. Such an oxide semiconductor is called a high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide semiconductor. It can be said that the oxide semiconductor has a low density of defect states and has stable characteristics.

なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性(電界効果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。Note that the present invention is not limited to these, and an appropriate composition may be used depending on the required semiconductor characteristics and electrical characteristics (field-effect mobility, threshold voltage, etc.) of a transistor. In order to obtain the required semiconductor characteristics of a transistor, it is preferable to appropriately set the carrier density, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal elements to oxygen, interatomic distance, density, and the like of the semiconductor layer.

半導体層を構成する酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。When the oxide semiconductor constituting the semiconductor layer contains silicon or carbon, which is one of the elements of Group 14, oxygen vacancies increase and the semiconductor layer becomes n-type. Therefore, the concentration of silicon or carbon in the semiconductor layer (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) is set to 2×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 17 atoms/cm 3 or less.

また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、半導体層におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。In addition, when an alkali metal or an alkaline earth metal is bonded to an oxide semiconductor, carriers may be generated, which may increase the off-state current of a transistor. Therefore, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the semiconductor layer (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) is set to 1×10 18 atoms/cm 3 or less, preferably 2×10 16 atoms/cm 3 or less.

また、半導体層を構成する酸化物半導体に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じてキャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため半導体層における窒素濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)は、5×1018atoms/cm以下にすることが好ましい。Furthermore, when nitrogen is contained in the oxide semiconductor constituting the semiconductor layer, electrons serving as carriers are generated, and the carrier density increases, making the semiconductor layer more likely to be n-type. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen is likely to have normally-on characteristics. For this reason, the nitrogen concentration in the semiconductor layer (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) is preferably 5×10 18 atoms/cm 3 or less.

また、半導体層を構成する酸化物半導体に水素が含まれていると、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。酸化物半導体中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。Furthermore, when hydrogen is contained in an oxide semiconductor constituting a semiconductor layer, it reacts with oxygen bonded to a metal atom to form water, which may form oxygen vacancies in the oxide semiconductor. When oxygen vacancies are contained in a channel formation region in an oxide semiconductor, the transistor may have normally-on characteristics. Furthermore, defects in which hydrogen has entered the oxygen vacancies may function as donors and generate electrons that serve as carriers. In addition, some of the hydrogen may bond with oxygen that is bonded to a metal atom to generate electrons that serve as carriers. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor that contains a large amount of hydrogen is likely to have normally-on characteristics.

酸素欠損に水素が入った欠陥は、酸化物半導体のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、酸化物半導体においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、酸化物半導体のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。A defect in which hydrogen is introduced into an oxygen vacancy can function as a donor for an oxide semiconductor. However, it is difficult to quantitatively evaluate the defect. Thus, an oxide semiconductor may be evaluated by its carrier concentration instead of its donor concentration. Thus, in this specification and the like, a carrier concentration assuming a state in which no electric field is applied may be used as a parameter of an oxide semiconductor instead of the donor concentration. In other words, the "carrier concentration" described in this specification and the like may be rephrased as the "donor concentration".

よって、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。水素などの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor is reduced as much as possible. Specifically, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is less than 1×10 20 atoms/cm 3 , preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 , more preferably less than 5×10 18 atoms/cm 3 , and further preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3. By using an oxide semiconductor in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced for a channel formation region of a transistor, stable electrical characteristics can be obtained.

また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、c軸に配向した結晶を有するCAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC-OSは最も欠陥準位密度が低い。The semiconductor layer may have, for example, a non-single crystal structure. The non-single crystal structure includes, for example, a C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor (CAAC-OS) having crystals oriented along the c-axis, a polycrystalline structure, a microcrystalline structure, or an amorphous structure. Among the non-single crystal structures, the amorphous structure has the highest density of defect states, and the CAAC-OS has the lowest density of defect states.

非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。An oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, a disordered atomic arrangement and does not include a crystalline component, or an oxide film having an amorphous structure has, for example, a completely amorphous structure and does not include a crystalline portion.

なお、半導体層が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC-OSの領域、単結晶構造の領域のうち、二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば上述した領域のうち、いずれか二種以上の領域を含む単層構造、または積層構造を有する場合がある。The semiconductor layer may be a mixed film having two or more of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, a polycrystalline structure region, a CAAC-OS region, and a single crystal structure region. The mixed film may have a single layer structure or a stacked structure including two or more of the above-mentioned regions.

以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるCAC(Cloud-Aligned Composite)-OSの構成について説明する。A structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite)-OS, which is one mode of a non-single-crystal semiconductor layer, will be described below.

CAC-OSとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。CAC-OS is a material in which, for example, elements constituting an oxide semiconductor are unevenly distributed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or thereabouts. Note that hereinafter, a state in which one or more metal elements are unevenly distributed in an oxide semiconductor and a region containing the metal elements is mixed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or thereabouts, is also referred to as a mosaic or patch shape.

なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。The oxide semiconductor preferably contains at least indium, particularly indium and zinc, and may further contain one or more elements selected from aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, and the like.

例えば、In-Ga-Zn酸化物におけるCAC-OS(CAC-OSの中でもIn-Ga-Zn酸化物を、特にCAC-IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2Z2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4Z4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2Z2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。For example, CAC-OS in In—Ga—Zn oxide (In—Ga—Zn oxide among CAC-OS may be particularly referred to as CAC-IGZO) is a mosaic-like structure formed by separation of materials such as indium oxide (hereinafter, InO X1 (X1 is a real number greater than 0)) or indium zinc oxide (hereinafter, In X2 Zn Y2 O Z2 (X2, Y2, and Z2 are real numbers greater than 0)) and gallium oxide (hereinafter, GaO X3 (X3 is a real number greater than 0)) or gallium zinc oxide (hereinafter, Ga X4 Zn Y4 O Z4 ( X4 , Y4, and Z4 are real numbers greater than 0 ) ) , and the like. Z2 is uniformly distributed in the film (hereinafter, also referred to as a cloud-like structure).

つまり、CAC-OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。That is, CAC-OS is a complex oxide semiconductor having a structure in which a region mainly composed of GaO X3 is mixed with a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 . Note that in this specification, for example, when the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region, it is defined that the first region has a higher In concentration than the second region.

なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1-x0)(ZnO)m0(-1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。Incidentally, IGZO is a common name and may refer to a single compound of In, Ga, Zn, and O. Representative examples include crystalline compounds expressed as InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number) or In (1+x0) Ga (1-x0) O 3 (ZnO) m0 (-1≦x0≦1, m0 is an arbitrary number).

上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa-b面においては配向せずに連結した結晶構造である。The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure. The CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have a c-axis orientation and are connected without being oriented in the a-b plane.

一方、CAC-OSは、酸化物半導体の材料構成に関する。CAC-OSとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、CAC-OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。On the other hand, CAC-OS refers to a material structure of an oxide semiconductor. CAC-OS refers to a structure in which a part of a material structure containing In, Ga, Zn, and O is observed to have nanoparticle-like regions mainly composed of Ga and a part of a nanoparticle-like region mainly composed of In are randomly dispersed in a mosaic pattern. Therefore, in CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.

なお、CAC-OSは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。Note that the CAC-OS does not include a stacked structure of two or more films having different compositions, for example, a two-layer structure including a film containing In as a main component and a film containing Ga as a main component.

なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。In addition, there are cases where a clear boundary cannot be observed between the region containing GaO X3 as the main component and the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as the main component.

なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、CAC-OSは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。In addition, when one or more elements selected from aluminum, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, and the like are contained instead of gallium, the CAC-OS has a structure in which regions observed to be in the form of nanoparticles mainly composed of the metal element and regions observed to be in the form of nanoparticles mainly composed of In are randomly dispersed in a mosaic pattern.

CAC-OSは、例えば基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC-OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、および窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とすることが好ましい。The CAC-OS can be formed, for example, by a sputtering method under conditions where the substrate is not intentionally heated. When the CAC-OS is formed by a sputtering method, any one or more selected from an inert gas (typically argon), oxygen gas, and nitrogen gas may be used as the deposition gas. The lower the flow rate ratio of oxygen gas to the total flow rate of deposition gas during deposition, the more preferable it is, and for example, the flow rate ratio of oxygen gas is preferably 0% or more and less than 30%, and more preferably 0% or more and 10% or less.

CAC-OSは、X線回折(XRD:X-ray diffraction)測定法のひとつであるOut-of-plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折測定から、測定領域のa-b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。CAC-OS has a characteristic that no clear peak is observed when it is measured using a θ/2θ scan by an out-of-plane method, which is one of the X-ray diffraction (XRD) measurement methods. That is, it is found from the X-ray diffraction measurement that no orientation in the a-b plane direction or the c-axis direction is observed in the measurement region.

また、CAC-OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域(リング領域)と、該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、CAC-OSの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないnc(nano-crystal)構造を有することがわかる。In addition, in an electron beam diffraction pattern obtained by irradiating CAC-OS with an electron beam (also referred to as a nano-beam electron beam) with a probe diameter of 1 nm, a ring-shaped region of high brightness (ring region) and multiple bright points are observed in the ring region. Therefore, the electron beam diffraction pattern shows that the crystal structure of CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure that has no orientation in the planar and cross-sectional directions.

また、例えば、In-Ga-Zn酸化物におけるCAC-OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。For example, in the case of CAC-OS in an In—Ga—Zn oxide, EDX mapping obtained by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) can confirm that the CAC-OS has a structure in which a region mainly composed of GaO X3 and a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 are unevenly distributed and mixed.

CAC-OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC-OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。CAC-OS has a structure different from that of an IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has properties different from those of an IGZO compound. That is, CAC-OS has a structure in which a region mainly composed of GaO X3 or the like is phase-separated from a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 , and the regions mainly composed of each element are arranged in a mosaic pattern.

ここで、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。したがって、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。Here, the region mainly composed of InX2ZnY2OZ2 or InOX1 has higher conductivity than the region mainly composed of GaOX3 or the like . That is, the conductivity of an oxide semiconductor is expressed by carriers flowing through the region mainly composed of InX2ZnY2OZ2 or InOX1 . Therefore, a high field effect mobility (μ) can be realized by distributing the region mainly composed of InX2ZnY2OZ2 or InOX1 in a cloud shape in the oxide semiconductor .

一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2Z2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。On the other hand, a region mainly composed of GaO X3 or the like has higher insulating properties than a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 . That is, when a region mainly composed of GaO X3 or the like is distributed in an oxide semiconductor, leakage current can be suppressed and good switching operation can be achieved.

したがって、CAC-OSを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する絶縁性と、InX2ZnY2Z2、またはInOX1に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。Therefore, when CAC-OS is used in a semiconductor element, the insulating property due to GaO X3 or the like and the conductivity due to In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily, so that a high on-current (I on ) and a high field-effect mobility (μ) can be realized.

また、CAC-OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、CAC-OSは、様々な半導体装置の構成材料として適している。Furthermore, a semiconductor element using the CAC-OS has high reliability and is therefore suitable as a component material for various semiconductor devices.

<層203>
層203は、層202上に形成される。層203は、OSトランジスタを有する画素回路331を有する。ここでは、画素回路331の一部として、トランジスタ103およびトランジスタ104を示している。
<Layer 203>
The layer 203 is formed over the layer 202. The layer 203 includes a pixel circuit 331 having an OS transistor. Here, the transistor 103 and the transistor 104 are shown as part of the pixel circuit 331.

層203には、絶縁層231、232、233、234、235、236、237が設けられる。また、導電層132が設けられる。The layer 203 is provided with insulating layers 231, 232, 233, 234, 235, 236, and 237. In addition, a conductive layer 132 is provided.

絶縁層231および導電層132は、貼り合わせ層としての機能を有する。絶縁層232、233、234、237は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層235は、保護膜としての機能を有する。絶縁層236は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。The insulating layer 231 and the conductive layer 132 function as bonding layers. The insulating layers 232, 233, 234, and 237 function as interlayer insulating films and planarizing films. The insulating layer 235 functions as a protective film. The insulating layer 236 functions as a gate insulating film.

導電層132は、画素回路331の出力線として機能する配線352と電気的に接続される。The conductive layer 132 is electrically connected to a wiring 352 that functions as an output line of the pixel circuit 331 .

<層204>
層204は、光電変換デバイス240、絶縁層241、242、245を有する。
Layer 204
Layer 204 includes a photoelectric conversion device 240 and insulating layers 241 , 242 , and 245 .

光電変換デバイス240は、シリコン基板に形成されたpn接合型のフォトダイオードであり、p型領域243およびn型領域244を有する。光電変換デバイス240は埋め込み型フォトダイオードであり、n型領域244の表面側(電流の取り出し側)に設けられた薄いp型領域243によって暗電流を抑えノイズを低減させることができる。The photoelectric conversion device 240 is a pn junction type photodiode formed on a silicon substrate, and has a p-type region 243 and an n-type region 244. The photoelectric conversion device 240 is a buried type photodiode, and the thin p-type region 243 provided on the surface side (current extraction side) of the n-type region 244 can suppress dark current and reduce noise.

絶縁層241は、ブロッキング層としての機能を有する。絶縁層242は、素子分離層としての機能を有する。絶縁層245は、キャリアの流出を抑制する機能を有する。The insulating layer 241 functions as a blocking layer, the insulating layer 242 functions as an element isolation layer, and the insulating layer 245 functions to suppress the outflow of carriers.

シリコン基板には画素を分離する溝が設けられ、絶縁層245はシリコン基板上面および当該溝に設けられる。絶縁層245が設けられることにより、光電変換デバイス240内で発生したキャリアが隣接する画素に流出することを抑えることができる。また、絶縁層245は、迷光の侵入を抑制する機能も有する。したがって、絶縁層245により、混色を抑制することができる。なお、シリコン基板の上面と絶縁層245との間に反射防止膜が設けられていてもよい。The silicon substrate is provided with grooves for separating pixels, and the insulating layer 245 is provided on the upper surface of the silicon substrate and in the grooves. By providing the insulating layer 245, it is possible to prevent carriers generated in the photoelectric conversion device 240 from flowing out to adjacent pixels. The insulating layer 245 also has a function of suppressing the intrusion of stray light. Therefore, the insulating layer 245 can suppress color mixing. An anti-reflection film may be provided between the upper surface of the silicon substrate and the insulating layer 245.

素子分離層は、LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)法、またはSTI(Shallow Trench Isolation)法等を用いて形成することができる。絶縁層245としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機絶縁膜、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。なお、絶縁層245は多層構成であってもよい。The element isolation layer can be formed by using a local oxidation of silicon (LOCOS) method, a shallow trench isolation (STI) method, or the like. For example, an inorganic insulating film such as silicon oxide or silicon nitride, or an organic insulating film such as polyimide resin or acrylic resin can be used as the insulating layer 245. The insulating layer 245 may have a multi-layer structure.

光電変換デバイス240のn型領域244(カソードに相当)は、層203のトランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。p型領域243(アノード)は、電源線として機能する層203の配線121と電気的に接続される。An n-type region 244 (corresponding to a cathode) of the photoelectric conversion device 240 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 103 in the layer 203. A p-type region 243 (anode) is electrically connected to the wiring 121 in the layer 203 that functions as a power supply line.

<層205>
層205は、層204上に形成される。層205は、遮光層251、光学変換層250およびマイクロレンズアレイ255を有する。
<Layer 205>
The layer 205 is formed on the layer 204. The layer 205 includes a light-shielding layer 251, an optical conversion layer 250, and a microlens array 255.

遮光層251は、隣接する画素への光の流入を抑えることができる。遮光層251には、アルミニウム、タングステンなどの金属層を用いることができる。また、当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体膜を積層してもよい。The light-shielding layer 251 can suppress the inflow of light into adjacent pixels. A metal layer such as aluminum or tungsten can be used for the light-shielding layer 251. In addition, the metal layer and a dielectric film having a function as an anti-reflection film may be laminated.

光学変換層250には、カラーフィルタを用いることができる。カラーフィルタにR(赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、C(シアン)、M(マゼンタ)などの色を画素別に割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。A color filter can be used for the optical conversion layer 250. A color image can be obtained by assigning colors such as R (red), G (green), B (blue), Y (yellow), C (cyan), and M (magenta) to the color filter for each pixel.

また、光学変換層250に波長カットフィルタを用いれば、様々な波長領域における画像が得られる撮像装置とすることができる。Furthermore, if a wavelength cut filter is used in the optical conversion layer 250, an imaging device capable of obtaining images in various wavelength regions can be obtained.

例えば、光学変換層250に可視光線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば、赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層250に近赤外線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば、遠赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層250に可視光線の波長以上の光を遮るフィルタを用いれば、紫外線撮像装置とすることができる。For example, if a filter that blocks light with wavelengths equal to or shorter than visible light is used in the optical conversion layer 250, it can be used as an infrared imaging device. Also, if a filter that blocks light with wavelengths equal to or shorter than near-infrared light is used in the optical conversion layer 250, it can be used as a far-infrared imaging device. Also, if a filter that blocks light with wavelengths equal to or longer than visible light is used in the optical conversion layer 250, it can be used as an ultraviolet imaging device.

また、光学変換層250にシンチレータを用いれば、X線撮像装置などに用いる放射線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したX線等の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンス現象により可視光線や紫外光線などの光(蛍光)に変換される。そして、当該光を光電変換デバイス240で検知することにより画像データを取得する。また、放射線検出器などに当該構成の撮像装置を用いてもよい。Furthermore, if a scintillator is used for the optical conversion layer 250, an imaging device can be provided that obtains an image that visualizes the intensity of radiation used in an X-ray imaging device or the like. When radiation such as X-rays that has passed through a subject is incident on the scintillator, it is converted into light (fluorescence) such as visible light or ultraviolet light by the photoluminescence phenomenon. Then, image data is obtained by detecting the light with the photoelectric conversion device 240. An imaging device having this configuration may also be used for a radiation detector or the like.

シンチレータは、X線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収して可視光や紫外光を発する物質を含む。例えば、GdS:Tb、GdS:Pr、GdS:Eu、BaFCl:Eu、NaI、CsI、CaF、BaF、CeF、LiF、LiI、ZnOなどを樹脂やセラミクスに分散させたものを用いることができる。The scintillator includes a substance that absorbs the energy of radiation such as X-rays or gamma rays and emits visible light or ultraviolet light when irradiated with the radiation. For example, Gd2O2S:Tb, Gd2O2S:Pr, Gd2O2S : Eu , BaFCl : Eu , NaI, CsI, CaF2 , BaF2 , CeF3 , LiF, LiI, ZnO, or the like dispersed in a resin or ceramic can be used.

光学変換層250上にはマイクロレンズアレイ255が設けられる。マイクロレンズアレイ255が有する個々のレンズを通る光が直下の光学変換層250を通り、光電変換デバイス240に照射されるようになる。マイクロレンズアレイ255を設けることにより、集光した光を光電変換デバイス240に入射することができるため、効率よく光電変換を行うことができる。マイクロレンズアレイ255は、可視光に対して透光性の高い樹脂またはガラスなどで形成することが好ましい。A microlens array 255 is provided on the optical conversion layer 250. Light passing through each lens of the microlens array 255 passes through the optical conversion layer 250 directly below, and is irradiated onto the photoelectric conversion device 240. By providing the microlens array 255, concentrated light can be incident on the photoelectric conversion device 240, so that photoelectric conversion can be performed efficiently. The microlens array 255 is preferably formed of a resin or glass that is highly translucent to visible light.

<貼り合わせ>
次に、層202と層203の貼り合わせについて説明する。
<Lamination>
Next, the bonding of the layer 202 and the layer 203 will be described.

層202には、絶縁層229および導電層131が設けられる。導電層131は、絶縁層229に埋設された領域を有する。また、絶縁層229および導電層131の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。The layer 202 is provided with an insulating layer 229 and a conductive layer 131. The conductive layer 131 has a region buried in the insulating layer 229. The surfaces of the insulating layer 229 and the conductive layer 131 are flattened so that they are at the same height.

層203には、絶縁層231および導電層132が設けられる。導電層132は、絶縁層232に埋設された領域を有する。また、絶縁層231および導電層132の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。The layer 203 is provided with an insulating layer 231 and a conductive layer 132. The conductive layer 132 has a region buried in the insulating layer 231. The surfaces of the insulating layer 231 and the conductive layer 132 are flattened so that they are at the same height.

ここで、導電層131および導電層132は、主成分が同一の金属元素であることが好ましい。また、絶縁層229および絶縁層231は、同一の成分で構成されていることが好ましい。Here, the conductive layers 131 and 132 preferably contain the same metal element as a main component, and the insulating layers 229 and 231 preferably contain the same component.

例えば、導電層131、132には、Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、PtまたはAuなどを用いることができる。接合のしやすさから、好ましくはCu、Al、W、またはAuを用いる。また、絶縁層229、231には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、窒化チタンなどを用いることができる。For example, Cu, Al, Sn, Zn, W, Ag, Pt, Au, or the like can be used for the conductive layers 131 and 132. In view of ease of bonding, Cu, Al, W, or Au is preferably used. Furthermore, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, titanium nitride, or the like can be used for the insulating layers 229 and 231.

つまり、導電層131および導電層132のそれぞれに、上記に示す同一の金属材料を用いることが好ましい。また、絶縁層229および絶縁層231のそれぞれに、上記に示す同一の絶縁材料を用いることが好ましい。当該構成とすることで、層202と層203の境を接合位置とする、貼り合わせを行うことができる。That is, the same metal material as described above is preferably used for each of the conductive layers 131 and 132. The same insulating material as described above is preferably used for each of the insulating layers 229 and 231. With this structure, the layer 202 and the layer 203 can be bonded to each other at the boundary between them.

なお、導電層131および導電層132は複数の層の多層構造であってもよく、その場合は、表層(接合面)が同一の金属材料であればよい。また、絶縁層229および絶縁層231も複数の層の多層構造であってもよく、その場合は、表層(接合面)が同一の絶縁材料であればよい。The conductive layers 131 and 132 may have a multi-layer structure with multiple layers, in which case the surface layers (joint surfaces) may be made of the same metal material. The insulating layers 229 and 231 may also have a multi-layer structure with multiple layers, in which case the surface layers (joint surfaces) may be made of the same insulating material.

当該貼り合わせによって、導電層131および導電層132の電気的な接続を得ることができる。また、絶縁層229および絶縁層231の機械的な強度を有する接続を得ることができる。This bonding can provide electrical connection between the conductive layer 131 and the conductive layer 132. In addition, the insulating layer 229 and the insulating layer 231 can be connected to each other with sufficient mechanical strength.

金属層同士の接合には、表面の酸化膜および不純物の吸着層などをスパッタリング処理などで除去し、清浄化および活性化した表面同士を接触させて接合する表面活性化接合法を用いることができる。または、温度と圧力を併用して表面同士を接合する拡散接合法などを用いることができる。どちらも原子レベルでの結合が起こるため、電気的だけでなく機械的にも優れた接合を得ることができる。To bond metal layers together, a surface activation bonding method can be used, in which oxide films and adsorbed layers of impurities on the surfaces are removed by sputtering or other methods, and cleaned and activated surfaces are brought into contact with each other to bond them. Alternatively, a diffusion bonding method can be used, in which surfaces are bonded together using a combination of temperature and pressure. Both methods involve bonding at the atomic level, resulting in excellent bonding not only electrically but also mechanically.

また、絶縁層同士の接合には、研磨などによって高い平坦性を得たのち、酸素プラズマ等で親水性処理をした表面同士を接触させて仮接合し、熱処理による脱水で本接合を行う親水性接合法などを用いることができる。親水性接合法も原子レベルでの結合が起こるため、機械的に優れた接合を得ることができる。In addition, for bonding insulating layers, a hydrophilic bonding method can be used in which high flatness is achieved by polishing, etc., and then the surfaces that have been hydrophilically treated with oxygen plasma or the like are brought into contact with each other to form a temporary bond, and then the final bond is achieved by dehydrating them through heat treatment. Hydrophilic bonding also produces bonds at the atomic level, and therefore can provide mechanically excellent bonds.

層202と、層203を貼り合わせる場合、それぞれの接合面には絶縁層と金属層が混在するため、例えば、表面活性化接合法および親水性接合法を組み合わせて行えばよい。When the layer 202 and the layer 203 are bonded to each other, since an insulating layer and a metal layer are mixed on each bonding surface, for example, a surface activated bonding method and a hydrophilic bonding method may be combined.

例えば、研磨後に表面を清浄化し、金属層の表面に酸化防止処理を行ったのちに親水性処理を行って接合する方法などを用いることができる。また、金属層の表面をAuなどの難酸化性金属とし、親水性処理を行ってもよい。なお、上述した方法以外の接合方法を用いてもよい。For example, a method can be used in which the surface is cleaned after polishing, the surface of the metal layer is subjected to an anti-oxidation treatment, and then a hydrophilic treatment is performed before bonding. The surface of the metal layer may be made of a resistant metal such as Au and then subjected to a hydrophilic treatment. Note that bonding methods other than the above-mentioned methods may also be used.

上記の貼り合わせにより、層203が有する画素回路331と、層201が有する読み出し回路311を電気的に接続することができる。By the above-described bonding, the pixel circuit 331 included in the layer 203 and the readout circuit 311 included in the layer 201 can be electrically connected to each other.

<積層構造1の変形例1>
図14Aは、図11に示す積層構造1とは層204の構成が異なる変形例を示している。図14Aに示す変形例1は、層204が有する絶縁層241と層203が有する層237との間に、遮光層300および層間絶縁膜として機能する絶縁層246が設けられる。なお、層201、202、205の図示は省略している。
<Modification 1 of laminate structure 1>
Fig. 14A shows a modification in which the configuration of layer 204 is different from that of stacked structure 1 shown in Fig. 11. In modification 1 shown in Fig. 14A, a light-shielding layer 300 and an insulating layer 246 functioning as an interlayer insulating film are provided between insulating layer 241 of layer 204 and layer 237 of layer 203. Note that layers 201, 202, and 205 are not shown in the figure.

遮光層300は、金属などの導電膜で形成することができる。遮光層300によって、光電変換デバイス240で吸収しきれない光の層203への照射を遮ることができる。また、遮光層300で反射した光によって、光電変換デバイス240の感度を高めることができる。なお、光電変換デバイス240と接続するプラグなどが設けられる領域には、開口部301を設ければよい。The light-shielding layer 300 can be formed of a conductive film such as a metal film. The light-shielding layer 300 can block irradiation of the layer 203 with light that cannot be absorbed by the photoelectric conversion device 240. In addition, the sensitivity of the photoelectric conversion device 240 can be increased by the light reflected by the light-shielding layer 300. Note that an opening 301 may be provided in a region where a plug or the like that connects to the photoelectric conversion device 240 is provided.

層203が有するOSトランジスタへの光の照射は、オフ電流の上昇などノイズの要因となる。したがって、ノイズを低減することができる。また、遮光層300の電位をGND電位などに固定することで電磁シールドとして作用させることができる。したがって、さらにノイズを低減することができる。Irradiation of the OS transistor in the layer 203 with light can cause noise, such as an increase in off-state current. Therefore, the noise can be reduced. Furthermore, the light-shielding layer 300 can function as an electromagnetic shield by fixing the potential of the light-shielding layer 300 to a GND potential or the like. Therefore, the noise can be further reduced.

<積層構造1の変形例2>
または、図14Bに示すように、遮光層300を光電変換デバイス240のカソード電極として用いてもよい。
<Modification 2 of laminate structure 1>
Alternatively, as shown in FIG. 14B, the light-shielding layer 300 may be used as a cathode electrode of the photoelectric conversion device 240.

<積層構造1の変形例3>
または、図15Aに示すように、遮光層300を画素回路331が有するキャパシタ108の他方の電極として用いてもよい。この場合、層204には、キャパシタ108の誘電体層として作用する絶縁層247が設けられる。また、層203には、キャパシタ108の一方の電極として作用する導電層238が設けられる。
<Modification 3 of laminate structure 1>
15A , the light-shielding layer 300 may be used as the other electrode of the capacitor 108 included in the pixel circuit 331. In this case, the layer 204 is provided with an insulating layer 247 that acts as a dielectric layer of the capacitor 108. In addition, the layer 203 is provided with a conductive layer 238 that acts as one electrode of the capacitor 108.

導電層238は、OSトラジスタのバックゲート電極と共通の工程で作製することができる。また、導電層238は、プラグ239a、接続電極239bおよびプラグ239cを介してトランジスタ103およびトランジスタ104と電気的に接続することができる。なお、プラグ239cは、図15Aに示す断面に現れない位置で導電層238と電気的に接続するプラグである。The conductive layer 238 can be manufactured in a process common to the back gate electrode of the OS transistor. The conductive layer 238 can be electrically connected to the transistor 103 and the transistor 104 through a plug 239a, a connection electrode 239b, and a plug 239c. The plug 239c is a plug electrically connected to the conductive layer 238 at a position not shown in the cross section shown in FIG. 15A.

なお、画素回路331が有するOSトランジスタのバックゲートと遮光層300との間には、寄生容量が形成される。そのため、図15Bに示すように、遮光層300のバックゲートと重なる領域には、開口部302を設けてもよい。Note that a parasitic capacitance is formed between the back gate of the OS transistor included in the pixel circuit 331 and the light-shielding layer 300. For this reason, an opening 302 may be provided in a region of the light-shielding layer 300 that overlaps with the back gate, as shown in FIG.

<積層構造1の変形例4>
図16は、図11に示す積層構造1とは層203および層204の構成が異なる変形例を示している。図16に示す変形例4は、画素回路331が有するトランジスタ103を層204に設けた構成である。層204において、トランジスタ103は、Siトランジスタで形成される。トランジスタ103のソースまたはドレインの一方は、光電変換デバイス240と直結され、ソースまたはドレインの他方は、ノードFDとして作用する。
<Modification 4 of laminate structure 1>
Fig. 16 shows a modification in which the configurations of the layer 203 and the layer 204 are different from those of the stacked structure 1 shown in Fig. 11. Modification 4 shown in Fig. 16 has a configuration in which the transistor 103 included in the pixel circuit 331 is provided in the layer 204. In the layer 204, the transistor 103 is formed of a Si transistor. One of the source or the drain of the transistor 103 is directly connected to the photoelectric conversion device 240, and the other of the source or the drain acts as a node FD.

この場合、層203には、画素回路331を構成するトランジスタのうち、トランジスタ103を除いたトランジスタが設けられる。図16では、トランジスタ104およびトランジスタ105を図示している。In this case, the layer 203 includes transistors that constitute the pixel circuit 331, except for the transistor 103. In FIG.

<積層構造1の変形例5>
図17は、図11に示す積層構造1とは層201および層203の構成が異なる変形例を示している。図17に示す変形例5は、読み出し回路311の構成要素であるCDS回路400を層203に設けた構成である。なお、図17では、CDS回路400を画素回路331に積層した構成を示しているが、CDS回路400は、画素回路331と同一面上にもうけられていてもよい。
<Modification 5 of laminate structure 1>
Fig. 17 shows a modification in which the configurations of the layer 201 and the layer 203 are different from those of the stacked structure 1 shown in Fig. 11. Modification 5 shown in Fig. 17 has a configuration in which a CDS circuit 400, which is a component of the readout circuit 311, is provided in the layer 203. Note that, although Fig. 17 shows a configuration in which the CDS circuit 400 is stacked on the pixel circuit 331, the CDS circuit 400 may be provided on the same surface as the pixel circuit 331.

上記の構成の場合、層201には読み出し回路311の別の構成要素であるA/Dコンバータ410が設けられる。図17では、A/Dコンバータ410の入力トランジスタとして機能するトランジスタ117を図示している。トランジスタ117のゲートは、層202が有する導電層131と電気的に接続される。In the above-described configuration, the layer 201 is provided with an A/D converter 410, which is another component of the read circuit 311. In FIG. 17, a transistor 117 that functions as an input transistor of the A/D converter 410 is illustrated. A gate of the transistor 117 is electrically connected to a conductive layer 131 included in the layer 202.

層203は、画素回路331に加え、CDS回路400を有する。ここでは、CDS回路400の要素であるキャパシタ402、トランジスタ403、404を図示している。トランジスタ403、404は、OSトランジスタで形成することができる。また、層203には、絶縁層421、422、423、424、425、426、427が設けられる。The layer 203 includes a CDS circuit 400 in addition to the pixel circuit 331. Here, a capacitor 402 and transistors 403 and 404 that are elements of the CDS circuit 400 are illustrated. The transistors 403 and 404 can be formed using OS transistors. In addition, the layer 203 includes insulating layers 421, 422, 423, 424, 425, 426, and 427.

絶縁層421、423、424,427は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層422は、キャパシタ402の誘電体層としての機能を有する。絶縁層425は、保護膜としての機能を有する。絶縁層426は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。The insulating layers 421, 423, 424, and 427 function as an interlayer insulating film and a planarizing film. The insulating layer 422 functions as a dielectric layer of the capacitor 402. The insulating layer 425 functions as a protective film. The insulating layer 426 functions as a gate insulating film.

画素回路331が接続される配線352には、キャパシタ402の他方の電極が電気的に接続され、キャパシタ402の一方の電極は、トランジスタ403のソースまたはドレインの一方およびトランジスタ404のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。そして、トランジスタ404のソースまたはドレインの他方は、導電層132と接続される。導電層132と層202が有する導電層131を貼り合わすことで、CDS回路400とA/Dコンバータ410を電気的に接続することができる。The other electrode of the capacitor 402 is electrically connected to the wiring 352 to which the pixel circuit 331 is connected, and one electrode of the capacitor 402 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 403 and one of the source or drain of the transistor 404. The other of the source or drain of the transistor 404 is connected to the conductive layer 132. By attaching the conductive layer 132 to the conductive layer 131 included in the layer 202, the CDS circuit 400 and the A/D converter 410 can be electrically connected to each other.

<積層構造2>
積層構造1およびその変形例では、層202と層203とを貼り合わせる構成を示したが、その他の層で貼り合わせを行ってもよい。図18に示す積層構造2は、層203と層204との間に貼り合わせ面を有する構成である。
<Layer structure 2>
In the laminate structure 1 and its modified example, the layer 202 and the layer 203 are bonded to each other, but other layers may be bonded to each other. The laminate structure 2 shown in FIG. 18 has a bonding surface between the layer 203 and the layer 204.

この場合、層203には、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する導電層135が設けられる。また、配線121と電気的に接続する導電層136が設けられる。導電層135、136は、絶縁層231に埋設された領域を有する。また、絶縁層231および導電層135、136の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。In this case, the layer 203 is provided with a conductive layer 135 electrically connected to one of the source and drain of the transistor 103. Also, a conductive layer 136 electrically connected to the wiring 121 is provided. The conductive layers 135 and 136 have a region buried in the insulating layer 231. The surfaces of the insulating layer 231 and the conductive layers 135 and 136 are planarized so that they are at the same height.

層204には、光電変換デバイス240のn型領域244(カソードに相当)と電気的に接続される導電層133が設けられる。また、p型領域243(アノード)と電気的に接続される導電層134が設けられる。また、絶縁層246上には絶縁層249が設けられる。導電層133、134は、絶縁層249に埋設された領域を有する。また、絶縁層249および導電層133、134の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。The layer 204 is provided with a conductive layer 133 electrically connected to an n-type region 244 (corresponding to a cathode) of the photoelectric conversion device 240. Also, a conductive layer 134 is provided electrically connected to a p-type region 243 (anode). Also, an insulating layer 249 is provided on the insulating layer 246. The conductive layers 133 and 134 have regions buried in the insulating layer 249. Also, the surfaces of the insulating layer 249 and the conductive layers 133 and 134 are flattened so that they are at the same height.

ここで、導電層133、134、135、136は、前述した導電層131、132と同じ貼り合わせ層である。また、絶縁層249は、前述した絶縁層229、231と同じ貼り合わせ層である。Here, the conductive layers 133, 134, 135, and 136 are the same bonding layer as the conductive layers 131 and 132 described above. The insulating layer 249 is the same bonding layer as the insulating layers 229 and 231 described above.

したがって、導電層133と導電層135を貼り合わせることで、光電変換デバイスのn型領域244(カソードに相当)とトランジスタ103のソースまたはドレインの一方を電気的に接続することができる。また、導電層134と導電層136を貼り合わせることで、光電変換デバイスのp型領域243(アノードに相当)と配線121を電気的に接続することができる。また、絶縁層231と絶縁層249を貼り合わせることで、層203と層204の電気的な接合および機械的な接合を行うことができる。Therefore, by bonding the conductive layer 133 and the conductive layer 135 together, it is possible to electrically connect the n-type region 244 (corresponding to the cathode) of the photoelectric conversion device to one of the source or drain of the transistor 103. Also, by bonding the conductive layer 134 and the conductive layer 136 together, it is possible to electrically connect the p-type region 243 (corresponding to the anode) of the photoelectric conversion device to the wiring 121. Also, by bonding the insulating layer 231 and the insulating layer 249 together, it is possible to electrically and mechanically bond the layer 203 and the layer 204.

<積層構造3>
図19に示す積層構造2は、層201と層202との間に貼り合わせ面を有する構成である。
<Layer structure 3>
The laminated structure 2 shown in FIG. 19 has a configuration in which a bonding surface is provided between a layer 201 and a layer 202 .

この場合、層201には、キャパシタ402の他方の電極と電気的に接続する導電層141が設けられる。また、トランジスタ115のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される導電層142が設けられる。また、トランジスタ116のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される導電層143が電気的に接続される。また、絶縁層218上には絶縁層219が設けられる。導電層141、142、143は、絶縁層219に埋設された領域を有する。また、絶縁層219および導電層141、142、143の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。In this case, the layer 201 is provided with a conductive layer 141 electrically connected to the other electrode of the capacitor 402. A conductive layer 142 electrically connected to one of the source or drain of the transistor 115 is provided. A conductive layer 143 electrically connected to one of the source or drain of the transistor 116 is also provided. An insulating layer 219 is provided over the insulating layer 218. The conductive layers 141, 142, and 143 have regions buried in the insulating layer 219. The surfaces of the insulating layer 219 and the conductive layers 141, 142, and 143 are planarized so that they are at the same height.

層202には、層203が有する配線352と電気的に接続する導電層137が設けられる。また、層202が有するトランジスタ111のソースまたはドレインの一方と電気的に接続する導電層138が設けられる。また、トランジスタ111のゲートと電気的に接続する導電層139が設けられる。導電層137、138、139は、絶縁層229に埋設された領域を有する。また、絶縁層229および導電層137、138、139の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。The layer 202 is provided with a conductive layer 137 electrically connected to a wiring 352 included in the layer 203. A conductive layer 138 is provided to be electrically connected to one of a source and a drain of a transistor 111 included in the layer 202. A conductive layer 139 is provided to be electrically connected to a gate of the transistor 111. The conductive layers 137, 138, and 139 each have a region buried in an insulating layer 229. The surfaces of the insulating layer 229 and the conductive layers 137, 138, and 139 are planarized so that they are all at the same height.

ここで、導電層137、138、139、141、142、143は、前述した導電層131、132と同じ貼り合わせ層である。また、絶縁層219は、前述した絶縁層229、231と同じ貼り合わせ層である。Here, the conductive layers 137, 138, 139, 141, 142, and 143 are the same bonding layer as the conductive layers 131 and 132 described above. The insulating layer 219 is the same bonding layer as the insulating layers 229 and 231 described above.

したがって、導電層137と導電層141を貼り合わせることで、読み出し回路311と画素回路331を電気的に接続することができる。また、導電層138と導電層142を貼り合わせることで、カラムドライバ313とメモリ回路321を電気的に接続することができる。また、導電層139と導電層143を貼り合わせることで、ロードライバ312とメモリ回路321を電気的に接続することができる。Therefore, by bonding the conductive layer 137 and the conductive layer 141 together, the read circuit 311 and the pixel circuit 331 can be electrically connected. In addition, by bonding the conductive layer 138 and the conductive layer 142 together, the column driver 313 and the memory circuit 321 can be electrically connected. In addition, by bonding the conductive layer 139 and the conductive layer 143 together, the row driver 312 and the memory circuit 321 can be electrically connected.

なお、本実施の形態では、層201に画素回路の読み出し回路およびメモリ回路の駆動回路を設け、層202にメモリ回路を設けた構成を説明したが、これに限らない。例えば、画素回路の駆動回路、ニューラルネットワーク、通信回路、CPUなどが層201または層202に設けられていてもよい。In this embodiment, the readout circuit of the pixel circuit and the driving circuit of the memory circuit are provided in the layer 201, and the memory circuit is provided in the layer 202. However, the present invention is not limited to this. For example, a driving circuit of the pixel circuit, a neural network, a communication circuit, a CPU, and the like may be provided in the layer 201 or the layer 202.

OSトランジスタおよびSiトランジスタを用いて、ノーマリーオフCPU(「Noff-CPU」ともいう)を実現することができる。なお、Noff-CPUとは、ゲート電圧が0Vであっても非導通状態(オフ状態ともいう)であるノーマリーオフ型のトランジスタを含む集積回路である。A normally-off CPU (also referred to as a "Noff-CPU") can be realized using an OS transistor and a Si transistor. Note that a Noff-CPU is an integrated circuit including normally-off transistors that are in a non-conducting state (also referred to as an off state) even when a gate voltage of 0 V is applied.

Noff-CPUは、Noff-CPU内の動作不要な回路への電力供給を停止し、当該回路を待機状態にすることができる。電力供給が停止され、待機状態になった回路では電力が消費されない。よって、Noff-CPUは、電力使用量を最小限にすることができる。また、Noff-CPUは、電力供給が停止されても設定条件などの動作に必要な情報を長期間保持することができる。待機状態からの復帰は当該回路への電力供給を再開するだけでよく、設定条件などの再書き込みが不要である。すなわち、待機状態からの高速復帰が可能である。このように、Noff-CPUは、動作速度を大きく落とすことなく消費電力を低減できる。The Noff-CPU can stop the power supply to circuits in the Noff-CPU that are not required to operate, and put the circuits into a standby state. The power supply is stopped and the circuits in the standby state do not consume power. Therefore, the Noff-CPU can minimize the amount of power consumption. Furthermore, the Noff-CPU can hold information necessary for operation, such as setting conditions, for a long period of time even if the power supply is stopped. To return from the standby state, it is only necessary to resume the power supply to the circuit, and there is no need to rewrite the setting conditions, etc. In other words, high-speed return from the standby state is possible. In this way, the Noff-CPU can reduce power consumption without significantly reducing the operating speed.

<積層構造4>
また、図4Cに示す画素回路331において、トランジスタ107をOSトランジスタ、その他のトランジスタをSiトランジスタとする場合は、図20Aに示す構成とすることができる、図20Aでは、層204にSiトランジスタであるトランジスタ103、104、105、106を設け、層203にOSトランジスタであるトランジスタ107を設ける構成を例示している。図20Aに示す層203は、他の積層構造と同様に、層202が有する回路と接続することができる。または、層202を設けず、層201が有する回路と接続してもよい。
<Layer structure 4>
4C, when the transistor 107 is an OS transistor and the other transistors are Si transistors, the pixel circuit 331 may have the structure shown in FIG. 20A. In FIG. 20A, the transistors 103, 104, 105, and 106, which are Si transistors, are provided in the layer 204, and the transistor 107, which is an OS transistor, is provided in the layer 203. The layer 203 shown in FIG. 20A can be connected to a circuit included in the layer 202, as in other stacked structures. Alternatively, the layer 202 may not be provided and the layer 203 may be connected to a circuit included in the layer 201.

また、図4Cに示す画素回路331は、図20Bに示す積層構造を有していてもよい。図20Bに示す積層構造は、配線側から光電変換デバイス240に光を照射する構成である。当該構成では光の利用効率が劣るが、プロセスの自由度が高い利点を有する。なお、図20Bに示す構成では、層203の上に層205が積層される構成となる。The pixel circuit 331 shown in Fig. 4C may have a stacked structure shown in Fig. 20B. The stacked structure shown in Fig. 20B is configured to irradiate the photoelectric conversion device 240 with light from the wiring side. This configuration has a low light utilization efficiency, but has the advantage of a high degree of freedom in the process. In the configuration shown in Fig. 20B, a layer 205 is stacked on a layer 203.

また、本発明の一態様は、図21に示す積層構造を有していてもよい。図21に示す積層構造は、図4Cに示す画素回路331および画素アレイの外側に設けられる駆動回路332を示している。駆動回路332として、SiトランジスタおよびOSトランジスタを有する構成を示しているが、いずれか一方で構成されていてもよい。当該構成では、貼り合わせ工程を不要とすることもできる。One embodiment of the present invention may have a stacked structure shown in Fig. 21. The stacked structure shown in Fig. 21 shows a driver circuit 332 provided outside the pixel circuit 331 and the pixel array shown in Fig. 4C. Although a structure including a Si transistor and an OS transistor is shown as the driver circuit 332, the driver circuit 332 may be formed of either one of them. With this structure, a bonding process may be unnecessary.

<有機光電変換デバイス>
本発明の一態様では、光電変換デバイスとして、Siフォトダイオードの代わりに有機光電変換デバイスを用いることができる。図22に示す光電変換デバイス240は有機光導電膜の一例であり、層567aは下部電極、層567eは透光性を有する上部電極であり、層567b、567c、567dは光電変換部に相当する。
<Organic photoelectric conversion device>
In one embodiment of the present invention, an organic photoelectric conversion device can be used as a photoelectric conversion device instead of a Si photodiode. A photoelectric conversion device 240 shown in Fig. 22 is an example of an organic photoconductive film, in which a layer 567a is a lower electrode, a layer 567e is a light-transmitting upper electrode, and layers 567b, 567c, and 567d correspond to a photoelectric conversion portion.

光電変換部の層567b、567dのいずれか一方はホール輸送層、他方は電子輸送層とすることができる。また、層567cは光電変換層とすることができる。One of the layers 567b and 567d in the photoelectric conversion portion can be a hole transport layer, and the other can be an electron transport layer. The layer 567c can be a photoelectric conversion layer.

ホール輸送層としては、例えば酸化モリブデンなどを用いることができる。電子輸送層としては、例えば、C60、C70などのフラーレン、またはそれらの誘導体などを用いることができる。For example, molybdenum oxide can be used as the hole transport layer, and for example, fullerene such as C 60 or C 70 , or a derivative thereof can be used as the electron transport layer.

光電変換層としては、n型有機半導体およびp型有機半導体の混合層(バルクヘテロ接合構造)を用いることができる。As the photoelectric conversion layer, a mixed layer (bulk heterojunction structure) of an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor can be used.

なお、図22では、図4Cに示す画素回路331の構成を示しており、この場合、トランジスタ103、104、105、106は、層206が有するシリコン基板に設けることができる。当該構成では、貼り合わせ工程を不要とすることもできる。22 shows the configuration of the pixel circuit 331 shown in FIG. 4C, in which case the transistors 103, 104, 105, and 106 can be provided on the silicon substrate of the layer 206. In this configuration, a bonding process can be unnecessary.

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例の記載と適宜組み合わせることができる。This embodiment mode can be appropriately combined with the descriptions of other embodiment modes or examples.

(実施の形態2)
本実施の形態では、イメージセンサチップを収めたパッケージおよびカメラモジュールの一例について説明する。当該イメージセンサチップには、本発明の一態様の撮像装置の構成を用いることができる。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a package and a camera module including an image sensor chip will be described. The image sensor chip can have the same structure as the imaging device of one embodiment of the present invention.

図23A1は、イメージセンサチップを収めたパッケージの上面側の外観斜視図である。当該パッケージは、イメージセンサチップ650を固定するパッケージ基板610、カバーガラス620および両者を接着する接着剤630等を有する。23A1 is a perspective view showing the appearance of the upper surface of a package containing an image sensor chip. The package includes a package substrate 610 for fixing an image sensor chip 650, a cover glass 620, and an adhesive 630 for bonding the two together.

図23A2は、当該パッケージの下面側の外観斜視図である。パッケージの下面には、半田ボールをバンプ640としたBGA(Ball grid array)を有する。なお、BGAに限らず、LGA(Land grid array)やPGA(Pin Grid Array)などを有していてもよい。23A2 is an external perspective view of the bottom surface of the package. The bottom surface of the package has a BGA (Ball Grid Array) with solder balls as bumps 640. Note that the package is not limited to a BGA, and may have an LGA (Land Grid Array) or a PGA (Pin Grid Array), etc.

図23A3は、カバーガラス620および接着剤630の一部を省いて図示したパッケージの斜視図である。パッケージ基板610上には電極パッド660が形成され、電極パッド660およびバンプ640はスルーホールを介して電気的に接続されている。電極パッド660は、イメージセンサチップ650とワイヤ670によって電気的に接続されている。23A3 is a perspective view of the package with a portion of the cover glass 620 and the adhesive 630 omitted. Electrode pads 660 are formed on the package substrate 610, and the electrode pads 660 and the bumps 640 are electrically connected via through holes. The electrode pads 660 are electrically connected to the image sensor chip 650 by wires 670.

また、図23B1は、イメージセンサチップをレンズ一体型のパッケージに収めたカメラモジュールの上面側の外観斜視図である。当該カメラモジュールは、イメージセンサチップ651を固定するパッケージ基板611、レンズカバー621、およびレンズ635等を有する。また、パッケージ基板611およびイメージセンサチップ651の間には撮像装置の駆動回路および信号変換回路などの機能を有するICチップ690も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。23B1 is an external perspective view of the upper surface side of a camera module in which an image sensor chip is housed in a lens-integrated package. The camera module includes a package substrate 611 for fixing an image sensor chip 651, a lens cover 621, and a lens 635. An IC chip 690 having functions such as a drive circuit and a signal conversion circuit for an imaging device is also provided between the package substrate 611 and the image sensor chip 651, and the camera module has a configuration as a SiP (System in Package).

図23B2は、当該カメラモジュールの下面側の外観斜視図である。パッケージ基板611の下面および側面には、実装用のランド641が設けられたQFN(Quad flat no-lead package)の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、QFP(Quad flat package)や前述したBGAが設けられていてもよい。23B2 is an external perspective view of the bottom side of the camera module. The bottom and side surfaces of the package substrate 611 have a QFN (Quad Flat No-Lead Package) configuration with mounting lands 641. Note that this configuration is one example, and a QFP (Quad Flat Package) or the above-mentioned BGA may also be provided.

図23B3は、レンズカバー621およびレンズ635の一部を省いて図示したモジュールの斜視図である。ランド641は電極パッド661と電気的に接続され、電極パッド661はイメージセンサチップ651またはICチップ690とワイヤ671によって電気的に接続されている。23B3 is a perspective view of the module in which a part of the lens cover 621 and the lens 635 is omitted. The land 641 is electrically connected to the electrode pad 661, and the electrode pad 661 is electrically connected to the image sensor chip 651 or the IC chip 690 by a wire 671.

イメージセンサチップを上述したような形態のパッケージに収めることでプリント基板等への実装が容易になり、イメージセンサチップを様々な半導体装置、電子機器に組み込むことができる。By housing the image sensor chip in a package of the above-mentioned type, mounting on a printed circuit board or the like becomes easy, and the image sensor chip can be incorporated into various semiconductor devices and electronic devices.

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例の記載と適宜組み合わせることができる。This embodiment mode can be appropriately combined with the descriptions of other embodiment modes or examples.

(実施の形態3)
本発明の一態様に係る撮像装置を用いることができる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像記憶装置または画像再生装置、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図24A乃至図24Fに示す。
(Embodiment 3)
Examples of electronic devices that can use the imaging device according to one embodiment of the present invention include display devices, personal computers, image storage devices or image playback devices equipped with a recording medium, mobile phones, game machines including portable types, portable data terminals, electronic book terminals, cameras such as video cameras and digital still cameras, goggle-type displays (head-mounted displays), navigation systems, audio playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, printer-combined machines, automated teller machines (ATMs), vending machines, etc. Specific examples of these electronic devices are shown in Figures 24A to 24F.

図24Aは携帯電話機の一例であり、筐体981、表示部982、操作ボタン983、外部接続ポート984、スピーカ985、マイク986、カメラ987等を有する。当該携帯電話機は、表示部982にタッチセンサを備える。電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指やスタイラスなどで表示部982に触れることで行うことができる。当該携帯電話機における画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。24A illustrates an example of a mobile phone, which includes a housing 981, a display portion 982, operation buttons 983, an external connection port 984, a speaker 985, a microphone 986, a camera 987, and the like. The mobile phone includes a touch sensor in the display portion 982. Any operation, such as making a call or inputting characters, can be performed by touching the display portion 982 with a finger, a stylus, or the like. The imaging device of one embodiment of the present invention and its operating method can be applied to an element for acquiring an image in the mobile phone.

図24Bは携帯データ端末であり、筐体911、表示部912、スピーカ913、カメラ919等を有する。表示部912が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができる。また、カメラ919で取得した画像から文字等を認識し、スピーカ913で当該文字を音声出力することができる。当該携帯データ端末における画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。24B shows a portable data terminal, which includes a housing 911, a display portion 912, a speaker 913, a camera 919, and the like. Information can be input and output using a touch panel function of the display portion 912. Characters and the like can be recognized from an image acquired by the camera 919, and the characters can be output as voice through the speaker 913. The imaging device of one embodiment of the present invention and its operating method can be applied to an element for acquiring an image in the portable data terminal.

図24Cは監視カメラであり、支持台951、カメラユニット952、保護カバー953等を有する。カメラユニット952には回転機構などが設けられ、天井に設置することで全周囲の撮像が可能となる。当該カメラユニットにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、またはビデオカメラとも呼ばれる。24C shows a surveillance camera, which includes a support base 951, a camera unit 952, a protective cover 953, and the like. The camera unit 952 is provided with a rotation mechanism and is installed on a ceiling to enable imaging of the entire periphery. The imaging device and the operation method of one embodiment of the present invention can be applied to an element for acquiring an image in the camera unit. Note that the term "surveillance camera" is a common name and is not intended to limit the use. For example, a device having a function as a surveillance camera is also called a camera or a video camera.

図24Dはビデオカメラであり、第1筐体971、第2筐体972、表示部973、操作キー974、レンズ975、接続部976、スピーカ977、マイク978等を有する。操作キー974およびレンズ975は第1筐体971に設けられており、表示部973は第2筐体972に設けられている。当該ビデオカメラにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。24D shows a video camera having a first housing 971, a second housing 972, a display unit 973, operation keys 974, a lens 975, a connection unit 976, a speaker 977, a microphone 978, and the like. The operation keys 974 and the lens 975 are provided in the first housing 971, and the display unit 973 is provided in the second housing 972. An imaging device and an operation method thereof according to one embodiment of the present invention can be applied to elements for acquiring an image in the video camera.

図24Eはデジタルカメラであり、筐体961、シャッターボタン962、マイク963、発光部967、レンズ965等を有する。当該デジタルカメラにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。24E illustrates a digital camera including a housing 961, a shutter button 962, a microphone 963, a light-emitting portion 967, a lens 965, and the like. The imaging device and the operation method thereof according to one embodiment of the present invention can be applied to elements for acquiring an image in the digital camera.

図24Fは腕時計型の情報端末であり、表示部932、筐体兼リストバンド933、カメラ939等を有する。表示部932は、情報端末の操作を行うためのタッチパネルを備える。表示部932および筐体兼リストバンド933は可撓性を有し、身体への装着性が優れている。当該情報端末における画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。24F shows a wristwatch-type information terminal, which includes a display unit 932, a housing/wristband 933, a camera 939, and the like. The display unit 932 includes a touch panel for operating the information terminal. The display unit 932 and the housing/wristband 933 are flexible and have excellent wearability on the body. The imaging device and the operating method thereof according to one embodiment of the present invention can be applied to an element for acquiring an image in the information terminal.

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例の記載と適宜組み合わせることができる。This embodiment mode can be appropriately combined with the descriptions of other embodiment modes or examples.

102:トランジスタ、103:トランジスタ、104:トランジスタ、105:トランジスタ、106:トランジスタ、107:トランジスタ、108:キャパシタ、111:トランジスタ、112:キャパシタ、115:トランジスタ、116:トランジスタ、117:トランジスタ、121:配線、122:配線、123:配線、126:配線、127:配線、128:配線、129:配線、131:導電層、132:導電層、133:導電層、134:導電層、135:導電層、136:導電層、137:導電層、138:導電層、139:導電層、141:導電層、142:導電層、143:導電層、201:層、202:層、203:層、204:層、205:層、206:層、210:領域、211:シリコン基板、212:絶縁層、213:絶縁層、214:絶縁層、215:絶縁層、216:絶縁層、217:絶縁層、218:絶縁層、219:絶縁層、220:領域、221:絶縁層、222:絶縁層、223:絶縁層、224:絶縁層、225:絶縁層、226:絶縁層、227:絶縁層、228:絶縁層、229:絶縁層、230:領域、231:絶縁層、232:絶縁層、233:絶縁層、234:絶縁層、235:絶縁層、236:絶縁層、237:層、238:導電層、239a:プラグ、239b:接続電極、239c:プラグ、240:光電変換デバイス、241:絶縁層、242:絶縁層、243:p型領域、244:n型領域、245:絶縁層、246:絶縁層、247:絶縁層、249:絶縁層、250:光学変換層、251:遮光層、255:マイクロレンズアレイ、300:遮光層、301:開口部、302:開口部、311:回路、312:ロードライバ、313:カラムドライバ、321:メモリ回路、321a:メモリセル、321aA:メモリセル、321aB:メモリセル、321aC:メモリセル、321aD:メモリセル、331:画素回路、332:駆動回路、351:配線、352:配線、353:配線、354:配線、355:配線、400:CDS回路、401:トランジスタ、402:キャパシタ、403:トランジスタ、404:トランジスタ、405:キャパシタ、410:A/Dコンバータ、421:絶縁層、422:絶縁層、423:絶縁層、424:絶縁層、425:絶縁層、426:絶縁層、427:絶縁層、431:配線、432:配線、535:バックゲート、545:半導体層、546:絶縁層、567a:層、567b:層、567c:層、567d:層、567e:層、610:パッケージ基板、611:パッケージ基板、620:カバーガラス、621:レンズカバー、630:接着剤、635:レンズ、640:バンプ、641:ランド、650:イメージセンサチップ、651:イメージセンサチップ、660:電極パッド、661:電極パッド、670:ワイヤ、671:ワイヤ、690:ICチップ、701:ゲート電極、702:ゲート絶縁膜、703:ソース領域、704:ドレイン領域、705:ソース電極、706:ドレイン電極、707:酸化物半導体層、911:筐体、912:表示部、913:スピーカ、919:カメラ、932:表示部、933:筐体兼リストバンド、939:カメラ、951:支持台、952:カメラユニット、953:保護カバー、961:筐体、962:シャッターボタン、963:マイク、965:レンズ、967:発光部、971:筐体、972:筐体、973:表示部、974:操作キー、975:レンズ、976:接続部、977:スピーカ、978:マイク、981:筐体、982:表示部、983:操作ボタン、984:外部接続ポート、985:スピーカ、986:マイク、987:カメラ102: transistor, 103: transistor, 104: transistor, 105: transistor, 106: transistor, 107: transistor, 108: capacitor, 111: transistor, 112: capacitor, 115: transistor, 116: transistor, 117: transistor, 121: wiring, 122: wiring, 123: wiring, 126: wiring, 127: wiring, 128: wiring, 129: wiring, 131: conductive layer, 132: conductive layer , 133: conductive layer, 134: conductive layer, 135: conductive layer, 136: conductive layer, 137: conductive layer, 138: conductive layer, 139: conductive layer, 141: conductive layer, 142: conductive layer, 143: conductive layer, 201: layer, 202: layer, 203: layer, 204: layer, 205: layer, 206: layer, 210: region, 211: silicon substrate, 212: insulating layer, 213: insulating layer, 214: insulating layer, 215: insulating layer, 216: insulating layer, 217: insulating layer, 218: insulating layer, 219: Insulating layer, 220: region, 221: insulating layer, 222: insulating layer, 223: insulating layer, 224: insulating layer, 225: insulating layer, 226: insulating layer, 227: insulating layer, 228: insulating layer, 229: insulating layer, 230: region, 231: insulating layer, 232: insulating layer, 233: insulating layer, 234: insulating layer, 235: insulating layer, 236: insulating layer, 237: layer, 238: conductive layer, 239a: plug, 239b: connecting electrode, 239c: plug, 240: photoelectric conversion device, 2 41: insulating layer, 242: insulating layer, 243: p-type region, 244: n-type region, 245: insulating layer, 246: insulating layer, 247: insulating layer, 249: insulating layer, 250: optical conversion layer, 251: light-shielding layer, 255: microlens array, 300: light-shielding layer, 301: opening, 302: opening, 311: circuit, 312: row driver, 313: column driver, 321: memory circuit, 321a: memory cell, 321aA: memory cell, 321aB: memory cell 321aC: memory cell, 321aD: memory cell, 331: pixel circuit, 332: drive circuit, 351: wiring, 352: wiring, 353: wiring, 354: wiring, 355: wiring, 400: CDS circuit, 401: transistor, 402: capacitor, 403: transistor, 404: transistor, 405: capacitor, 410: A/D converter, 421: insulating layer, 422: insulating layer, 423: insulating layer, 424: insulating layer, 425: insulating layer , 426: insulating layer, 427: insulating layer, 431: wiring, 432: wiring, 535: back gate, 545: semiconductor layer, 546: insulating layer, 567a: layer, 567b: layer, 567c: layer, 567d: layer, 567e: layer, 610: package substrate, 611: package substrate, 620: cover glass, 621: lens cover, 630: adhesive, 635: lens, 640: bump, 641: land, 650: image sensor chip, 651: image Sensor chip, 660: electrode pad, 661: electrode pad, 670: wire, 671: wire, 690: IC chip, 701: gate electrode, 702: gate insulating film, 703: source region, 704: drain region, 705: source electrode, 706: drain electrode, 707: oxide semiconductor layer, 911: housing, 912: display unit, 913: speaker, 919: camera, 932: display unit, 933: housing/wristband, 939: camera, 951: Support base, 952: camera unit, 953: protective cover, 961: housing, 962: shutter button, 963: microphone, 965: lens, 967: light emitting section, 971: housing, 972: housing, 973: display section, 974: operation keys, 975: lens, 976: connection section, 977: speaker, 978: microphone, 981: housing, 982: display section, 983: operation button, 984: external connection port, 985: speaker, 986: microphone, 987: camera

Claims (11)

第1の回路と、第2の回路と、第3の回路と、光電変換デバイスと、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、第3の絶縁層と、第4の絶縁層と、第1の導電層と、第2の導電層と、を有し、
前記第1の回路は、前記第1の絶縁層および前記第2の回路を介して前記第2の絶縁層と重なる領域を有し、
前記第1の絶縁層は、前記第1の回路と、前記第2の回路との間に設けられ、
前記第1の導電層は、前記第2の絶縁層に埋設された領域を有し、
前記光電変換デバイスは、前記第3の絶縁層および前記第3の回路を介して前記第4の絶縁層と重なる領域を有し、
前記第3の絶縁層は、前記光電変換デバイスと、前記第3の回路との間に設けられ、
前記第2の導電層は、前記第4の絶縁層に埋設された領域を有し、
前記第1の導電層は、前記第1の回路と電気的に接続され、
前記第1の回路は、前記第2の回路と電気的に接続され、
前記第2の導電層は、前記第3の回路と電気的に接続され、
前記第3の回路は、前記光電変換デバイスと電気的に接続され、
前記第1の導電層と、前記第2の導電層とは直接接合し、
前記第2の絶縁層と、前記第4の絶縁層とは直接接合し
前記第1の回路は、チャネル形成領域にシリコンを有する第1のトランジスタと、チャネル形成領域にシリコンを有する第2のトランジスタと、を有し、
前記第2の回路は、チャネル形成領域に第2の金属酸化物を有する第3のトランジスタと、前記第3のトランジスタと電気的に接続された第1のキャパシタと、を有し、
前記第3の回路は、第4乃至第8のトランジスタと、第2のキャパシタと、を有し、
前記第4のトランジスタ、前記第5のトランジスタ、前記第7のトランジスタ及び前記第8のトランジスタは、シリコンをチャネル形成領域に有するトランジスタであり、
前記第6のトランジスタは、第1の金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタであり、
前記第4のトランジスタのソース及びドレインの一方は、前記光電変換デバイスの一方の電極と電気的に接続され、
前記第4のトランジスタのソース及びドレインの他方は、前記第5のトランジスタのソース及びドレインの一方と、前記第6のトランジスタのソース及びドレインの一方と、に電気的に接続され、
前記第6のトランジスタのソース及びドレインの他方は、前記第7のトランジスタのゲートと、前記第2のキャパシタの一方の電極と、に電気的に接続され、
前記第7のトランジスタのソース及びドレインの一方は、前記第8のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続され、
断面視において、前記第1のキャパシタは、前記第1のトランジスタと重なる領域と、前記第2のトランジスタと重なる領域と、前記第4乃至前記第8のトランジスタのいずれか一と重なる領域と、を有する、撮像装置。
a first circuit, a second circuit, a third circuit, a photoelectric conversion device, a first insulating layer, a second insulating layer, a third insulating layer, a fourth insulating layer, a first conductive layer, and a second conductive layer;
the first circuit has a region overlapping with the second insulating layer via the first insulating layer and the second circuit;
the first insulating layer is provided between the first circuit and the second circuit;
the first conductive layer has a region embedded in the second insulating layer;
the photoelectric conversion device has a region overlapping with the fourth insulating layer via the third insulating layer and the third circuit;
the third insulating layer is provided between the photoelectric conversion device and the third circuit;
the second conductive layer has a region embedded in the fourth insulating layer;
the first conductive layer is electrically connected to the first circuit;
the first circuit is electrically connected to the second circuit;
the second conductive layer is electrically connected to the third circuit;
the third circuit is electrically connected to the photoelectric conversion device;
the first conductive layer and the second conductive layer are directly bonded to each other;
the second insulating layer and the fourth insulating layer are directly bonded to each other ;
the first circuit includes a first transistor having silicon in a channel formation region and a second transistor having silicon in a channel formation region;
the second circuit includes a third transistor having a second metal oxide in a channel formation region, and a first capacitor electrically connected to the third transistor;
the third circuit includes fourth to eighth transistors and a second capacitor;
the fourth transistor, the fifth transistor, the seventh transistor, and the eighth transistor are transistors having silicon in a channel formation region,
the sixth transistor is a transistor having a first metal oxide in a channel formation region,
one of a source and a drain of the fourth transistor is electrically connected to one electrode of the photoelectric conversion device;
the other of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to one of the source and the drain of the fifth transistor and one of the source and the drain of the sixth transistor;
the other of the source and the drain of the sixth transistor is electrically connected to the gate of the seventh transistor and to one electrode of the second capacitor;
one of a source and a drain of the seventh transistor is electrically connected to one of a source and a drain of the eighth transistor;
an imaging device, wherein, in a cross-sectional view, the first capacitor has a region overlapping with the first transistor, a region overlapping with the second transistor, and a region overlapping with any one of the fourth to eighth transistors .
請求項1において、
前記光電変換デバイスは、光電変換層にシリコンを有するフォトダイオードである撮像装置。
In claim 1,
The imaging device, wherein the photoelectric conversion device is a photodiode having silicon in a photoelectric conversion layer.
請求項2において、
前記第1の金属酸化物は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHfの一つまたは複数)と、を有する撮像装置。
In claim 2,
The first metal oxide comprises In, Zn, and M (M is one or more of Al, Ti, Ga, Ge, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd, and Hf).
請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記第1の導電層および前記第2の導電層は、同一の金属材料で構成され、
前記第2の絶縁層および前記第4の絶縁層は、同一の絶縁材料で構成されている撮像装置。
In any one of claims 1 to 3,
the first conductive layer and the second conductive layer are made of the same metal material;
The imaging device, wherein the second insulating layer and the fourth insulating layer are made of the same insulating material.
請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記第3の回路および前記光電変換デバイスは、画素回路の機能を有し、
前記第1の回路は、読み出し回路の機能を有する撮像装置。
In any one of claims 1 to 4,
the third circuit and the photoelectric conversion device have a function of a pixel circuit;
The first circuit is an imaging device having a function of a readout circuit.
請求項1乃至5のいずれか一項において、
さらに、遮光層を有し、
前記遮光層は、前記光電変換デバイスと前記第3の回路との間に設けられる撮像装置。
In any one of claims 1 to 5,
Further, the light-shielding layer is provided,
The imaging device, wherein the light-shielding layer is provided between the photoelectric conversion device and the third circuit.
請求項1乃至6のいずれか一項において、
さらに、第4の回路と、第5の回路と、を有し、
前記第4の回路および前記第5の回路は、前記第1の回路と同一の基板に設けられ、
前記第4の回路は、前記第2の回路と電気的に接続され、
前記第5の回路は、前記第2の回路と電気的に接続される撮像装置。
In any one of claims 1 to 6,
Further, the fourth circuit and the fifth circuit are included,
the fourth circuit and the fifth circuit are provided on the same substrate as the first circuit;
the fourth circuit is electrically connected to the second circuit;
The fifth circuit is electrically connected to the second circuit.
請求項7において、
前記第4の回路および前記第5の回路は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタを有する撮像装置。
In claim 7,
The fourth circuit and the fifth circuit are an imaging device including a transistor having silicon in a channel formation region.
請求項7または8において、
前記第2の回路は、メモリ回路の機能を有し、
前記第4の回路は、前記メモリ回路を駆動するカラムドライバの機能を有し、
前記第5の回路は、前記メモリ回路を駆動するロードライバの機能を有する撮像装置。
In claim 7 or 8,
the second circuit has a function of a memory circuit;
the fourth circuit has a function of a column driver that drives the memory circuit;
The fifth circuit is an imaging device having a function of a row driver that drives the memory circuit.
請求項1乃至9のいずれか一において、
前記第2の金属酸化物は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHfの一つまたは複数)と、を有する撮像装置。
In any one of claims 1 to 9 ,
The second metal oxide comprises In, Zn, and M (M is one or more of Al, Ti, Ga, Ge, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd, and Hf).
請求項1乃至10のいずれか一項に記載の撮像装置と、表示部と、を有し、
前記撮像装置で撮像した画像を前記表示部で表示することができる電子機器。
An imaging device comprising: the imaging device according to any one of claims 1 to 10 ; and a display unit;
An electronic device capable of displaying an image captured by the imaging device on the display unit.
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